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JP2013168454A - Semiconductor memory device and method for manufacturing the same - Google Patents

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JP2013168454A
JP2013168454A JP2012029908A JP2012029908A JP2013168454A JP 2013168454 A JP2013168454 A JP 2013168454A JP 2012029908 A JP2012029908 A JP 2012029908A JP 2012029908 A JP2012029908 A JP 2012029908A JP 2013168454 A JP2013168454 A JP 2013168454A
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JP
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oxygen deficiency
layer
interlayer insulating
film
insulating film
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Pending
Application number
JP2012029908A
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Japanese (ja)
Inventor
Kiyotaka Tsuji
清孝 辻
Takumi Mikawa
巧 三河
Kenji Tominaga
健司 富永
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】初期ブレーク電圧を低電圧化し、かつ、その素子間ばらつきを抑制可能な半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】基板Sと、基板S上に形成された第1層間絶縁膜1と、第1層間絶縁膜1上に、表面の少なくとも一部が第1層間絶縁膜1の表面から上方に出るように形成された第1配線51と、第1層間絶縁膜1の表面と第1配線51の表面との境界を跨いで形成された第1電極11と、第2遷移金属酸化物を用いて構成された低酸素不足度層22と、第2遷移金属酸化物より酸素不足度が大きい第1遷移金属酸化物を用いて構成された高酸素不足度層21とを、この順に或いは逆順に積層して構成される抵抗変化素子70と、抵抗変化素子70上に形成された第2電極12とを備え、第1層間絶縁膜1の表面と第1配線51の露出面との境界には、段差1aが形成され、低酸素不足度層22は、境界の形状に沿って形成されることで、断面視における段差部22aを有する。
【選択図】図1B
There is provided a semiconductor memory device capable of reducing an initial break voltage and suppressing variations between elements.
A substrate, a first interlayer insulating film formed on the substrate, and at least a part of the surface of the first interlayer insulating film are exposed upward from the surface of the first interlayer insulating film. The first wiring 51 formed as described above, the first electrode 11 formed across the boundary between the surface of the first interlayer insulating film 1 and the surface of the first wiring 51, and the second transition metal oxide. The configured low oxygen deficiency layer 22 and the high oxygen deficiency layer 21 configured using the first transition metal oxide having a larger oxygen deficiency than the second transition metal oxide are stacked in this order or in reverse order. And the second electrode 12 formed on the resistance change element 70, and the boundary between the surface of the first interlayer insulating film 1 and the exposed surface of the first wiring 51 is A step 1a is formed, and the low oxygen deficiency layer 22 is formed along the shape of the boundary. Having a stepped portion 22a at.
[Selection] Figure 1B

Description

本発明は、電圧パルスの印加により、抵抗値が可逆的に変化する抵抗変化型の半導体記憶装置(不揮発性半導体記憶装置)に関する。   The present invention relates to a resistance change type semiconductor memory device (nonvolatile semiconductor memory device) whose resistance value reversibly changes by application of a voltage pulse.

近年、デジタル技術の進展に伴って、携帯情報機器や情報家電等の電子機器が、より一層高機能化している。これらの電子機器の高機能化に伴い、使用される半導体素子の微細化および高速化が急速に進んでいる。その中でも、フラッシュメモリに代表されるような大容量の不揮発性メモリの用途が急速に拡大している。更に、このフラッシュメモリに置き換わる次世代の新型不揮発性メモリとして、いわゆる抵抗変化素子を用いた抵抗変化型の不揮発性記憶素子の研究開発が進んでいる。ここで、抵抗変化素子とは、電圧パルス(電気的信号)を印加することによって抵抗値が可逆的に変化する性質を有する素子をいう。抵抗変化素子の抵抗値の夫々に情報を割り当てることにより、情報を不揮発的に記憶することが可能になる。   In recent years, with the advancement of digital technology, electronic devices such as portable information devices and information home appliances have become more sophisticated. As these electronic devices have higher functions, the semiconductor elements used have been rapidly miniaturized and increased in speed. Among them, the use of a large-capacity nonvolatile memory represented by a flash memory is rapidly expanding. Further, research and development of a variable resistance nonvolatile memory element using a so-called variable resistance element is progressing as a next-generation new nonvolatile memory that replaces the flash memory. Here, the resistance change element refers to an element having a property that the resistance value reversibly changes when a voltage pulse (electrical signal) is applied. By assigning information to each resistance value of the variable resistance element, information can be stored in a nonvolatile manner.

この抵抗変化素子の一例として、酸素含有率の異なる遷移金属酸化物を積層して抵抗変化層に用いた半導体記憶素子が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この半導体記憶素子は、酸素含有率の異なる2つのタンタル酸化物層を積層して抵抗変化層に用いている。このような積層構造の抵抗変化層を有する抵抗変化素子の上下電極間に電圧パルスを印加することで、酸素含有率の高い抵抗変化層と、当該抵抗変化層に接触する電極との界面で、酸化・還元反応を選択的に発生させ、抵抗変化を安定化することが開示されている。   As an example of the variable resistance element, a semiconductor memory element is disclosed in which transition metal oxides having different oxygen contents are stacked and used for the variable resistance layer (see, for example, Patent Document 1). In this semiconductor memory element, two tantalum oxide layers having different oxygen contents are stacked and used as a resistance change layer. By applying a voltage pulse between the upper and lower electrodes of the resistance change element having the resistance change layer having such a laminated structure, at the interface between the resistance change layer having a high oxygen content and the electrode in contact with the resistance change layer, It is disclosed to selectively generate an oxidation / reduction reaction to stabilize a resistance change.

国際公開第2008/149484号International Publication No. 2008/149484

ここで、「酸素含有率」は、遷移金属酸化物を構成する総原子数に対する含有酸素原子数の比率で示される。これに対して、「酸素不足度」とは、それぞれの遷移金属酸化物において、その化学量論的な組成を有する酸化物を構成する酸素の量に対し、不足している酸素の割合をいう。   Here, the “oxygen content” is indicated by the ratio of the number of oxygen atoms contained to the total number of atoms constituting the transition metal oxide. On the other hand, the “oxygen deficiency” refers to the ratio of oxygen deficiency with respect to the amount of oxygen constituting the oxide having the stoichiometric composition in each transition metal oxide. .

上述した、酸素含有率の異なる2つのタンタル酸化物層を積層して構成された層を、抵抗変化層として直ちに機能させるためには、一般的に、製造後、初期に1度、初期ブレーク電圧を印加する初期ブレーク動作を行う必要がある。初期ブレーク電圧を印加すると、2つのタンタル酸化物層のうち、酸素含有率が大きく高い抵抗値を示すタンタル酸化物層の一部が局所的に短絡(初期ブレークで導電パスまたはフィラメントを形成)して、導電パスまたはフィラメント中で抵抗変化が生じる状態に遷移する。初期ブレーク電圧の電圧値は、一般的に、半導体記憶装置の通常動作時において抵抗変化層の抵抗状態を変化させるために印加する電圧パルスの電圧値より、大きい値となっている。   In order to immediately function the layer formed by stacking two tantalum oxide layers having different oxygen contents described above as a resistance change layer, in general, the initial break voltage is once after the manufacturing. It is necessary to perform an initial break operation for applying. When an initial break voltage is applied, a part of the tantalum oxide layer having a high oxygen content and a high resistance value is locally short-circuited (a conductive path or filament is formed at the initial break). Thus, a transition is made to a state in which a resistance change occurs in the conductive path or filament. The voltage value of the initial break voltage is generally larger than the voltage value of the voltage pulse applied to change the resistance state of the resistance change layer during the normal operation of the semiconductor memory device.

上述した従来の抵抗変化素子では、初期ブレーク電圧が大きくなり、また、初期ブレーク電圧が抵抗変化素子毎にばらつくという課題がある。従って、抵抗変化型素子に印加する初期ブレーク電圧の低電圧化と、初期ブレーク電圧のばらつきの抑制とを両立することが求められている。   The conventional resistance change element described above has a problem that the initial break voltage increases and the initial break voltage varies from one resistance change element to another. Therefore, it is required to achieve both reduction in the initial break voltage applied to the resistance variable element and suppression of variations in the initial break voltage.

そこで、本発明は、酸素不足度の異なる遷移金属酸化物層を積層して抵抗変化層に用いた不揮発性記憶素子に印加する初期ブレーク電圧を低電圧化し、かつ、そのばらつきを低減することを目的とする。   Therefore, the present invention reduces the initial break voltage applied to the nonvolatile memory element used for the resistance change layer by laminating transition metal oxide layers having different degrees of oxygen deficiency, and reduces variations thereof. Objective.

上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体記憶装置は、前記基板と、前記基板上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に、表面の少なくとも一部が前記層間絶縁膜の上面から露出した状態で形成された配線と、前記層間絶縁膜の上面と前記配線の露出面との境界を跨いで形成された下部電極と、酸素不足型の第2遷移金属酸化物を用いて構成された低酸素不足度層と、前記第2遷移金属酸化物より酸素不足度が大きい第1遷移金属酸化物を用いて構成された高酸素不足度層とを、前記下部電極上に積層して構成された抵抗変化層と、前記抵抗変化層上に形成された上部電極とを備え、前記層間絶縁膜の前記上面と前記配線の前記露出面との境界には、段差が形成され、前記抵抗変化層の前記低酸素不足度層は、前記境界の形状に沿って形成されることで、断面視における段差部を有する。   In order to solve the above problems, a semiconductor memory device according to the present invention includes a substrate, an interlayer insulating film formed on the substrate, and at least part of a surface of the interlayer insulating film on the interlayer insulating film. A wiring formed in a state exposed from the upper surface of the film, a lower electrode formed across the boundary between the upper surface of the interlayer insulating film and the exposed surface of the wiring, and an oxygen-deficient second transition metal oxide. A low oxygen deficiency layer configured using a high oxygen deficiency layer configured using a first transition metal oxide having a greater oxygen deficiency than the second transition metal oxide on the lower electrode. A variable resistance layer formed by stacking and an upper electrode formed on the variable resistance layer, and a step is formed at a boundary between the upper surface of the interlayer insulating film and the exposed surface of the wiring. The low oxygen deficiency layer of the variable resistance layer is formed in the boundary shape. By being formed along, it has a stepped portion in cross section.

本発明に係る半導体記憶装置は、配線の露出面と層間絶縁膜の表面との境界に段差を形成し、境界を跨いだ状態で、下部電極、上部電極及び抵抗変化層で構成される抵抗変化素子を積層することにより、抵抗変化層を構成する低酸素不足度層に、断面視における段差部を形成する。当該段差部により、低酸素不足度層に、局所的に薄膜化もしくは屈曲した部位が形成されるので、初期ブレーク電圧を低電圧化することが可能になる。さらに、本発明において、低酸素不足度層の段差部の形状は、比較的安定して作成できることから、素子間のばらつきを低減できる。   In the semiconductor memory device according to the present invention, a step is formed at the boundary between the exposed surface of the wiring and the surface of the interlayer insulating film, and the resistance change is configured by the lower electrode, the upper electrode, and the resistance change layer across the boundary. By stacking the elements, a step portion in a cross-sectional view is formed in the low oxygen deficiency layer constituting the resistance change layer. The stepped portion forms a locally thinned or bent portion in the low oxygen deficiency layer, so that the initial break voltage can be lowered. Furthermore, in the present invention, since the shape of the stepped portion of the low oxygen deficiency layer can be created relatively stably, variation between elements can be reduced.

図1Aは、本発明の実施の形態1における半導体記憶装置の構成例を示す平面図である。FIG. 1A is a plan view showing a configuration example of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. 図1Bは、本発明の実施の形態1における半導体記憶装置の構成例を示す断面図である。FIG. 1B is a cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor memory device according to Embodiment 1 of the present invention. 図2Aは、本発明の実施の形態1における半導体記憶装置の製造方法のうち、第1層間絶縁膜及び第1配線を形成する工程を示す断面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view showing a step of forming the first interlayer insulating film and the first wiring in the method for manufacturing the semiconductor memory device in the first embodiment of the present invention. 図2Bは、本発明の実施の形態1における半導体記憶装置の製造方法のうち、第1層間絶縁膜を選択的にパターニングする工程を示す断面図である。FIG. 2B is a cross-sectional view showing a step of selectively patterning the first interlayer insulating film in the method for manufacturing the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. 図2Cは、本発明の実施の形態1における半導体記憶装置の製造方法のうち、第1電極膜、高酸素不足度膜、低酸素不足度膜及び第2電極膜を形成する工程を示す断面図である。FIG. 2C is a cross-sectional view illustrating a process of forming the first electrode film, the high oxygen deficiency film, the low oxygen deficiency film, and the second electrode film in the method for manufacturing the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. It is. 図2Dは、本発明の実施の形態1における半導体記憶装置の製造方法のうち、抵抗変化素子を形成する工程を示す断面図である。FIG. 2D is a cross-sectional view showing the step of forming the variable resistance element in the method for manufacturing the semiconductor memory device in the first embodiment of the present invention. 図2Eは、実施の形態1において、第2層間絶縁膜を形成する工程を示す断面図である。FIG. 2E is a cross-sectional view showing a step of forming a second interlayer insulating film in the first embodiment. 図2Fは、実施の形態1において、コンタクトプラグを形成する工程を示す断面図である。FIG. 2F is a cross-sectional view showing a step of forming a contact plug in the first embodiment. 図2Gは、実施の形態1において、第2配線を形成する工程を示す断面図である。FIG. 2G is a cross-sectional view showing a step of forming the second wiring in the first embodiment. 図3Aは、本発明に係る半導体記憶装置の実施の形態1の変形例1において、第1配線と抵抗変化素子の位置関係の他の一例を示す概略ブロック図である。FIG. 3A is a schematic block diagram showing another example of the positional relationship between the first wiring and the resistance change element in Modification 1 of Embodiment 1 of the semiconductor memory device according to the invention. 図3Bは、本発明に係る半導体記憶装置の実施の形態1の変形例2において、第1配線と抵抗変化素子の位置関係の他の一例を示す概略ブロック図である。FIG. 3B is a schematic block diagram showing another example of the positional relationship between the first wiring and the resistance change element in Modification 2 of Embodiment 1 of the semiconductor memory device according to the invention. 図3Cは、本発明に係る半導体記憶装置の実施の形態1の変形例3において、第1配線と抵抗変化素子の位置関係の他の一例を示す概略ブロック図である。FIG. 3C is a schematic block diagram showing another example of the positional relationship between the first wiring and the resistance change element in Modification 3 of Embodiment 1 of the semiconductor memory device according to the invention. 図4Aは、本発明の実施の形態2における半導体記憶装置の構成例を示す平面図である。FIG. 4A is a plan view showing a configuration example of the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. 図4Bは、本発明の実施の形態2における半導体記憶装置の構成例を示す断面図である。FIG. 4B is a cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor memory device in the second embodiment of the present invention. 図5Aは、本発明の実施の形態3における半導体記憶装置の構成例を示す平面図である。FIG. 5A is a plan view showing a configuration example of the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention. 図5Bは、本発明の実施の形態3における半導体記憶装置の構成例を示す断面図である。FIG. 5B is a cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor memory device according to Embodiment 3 of the present invention. 図6Aは、本発明の実施の形態3における半導体記憶装置の製造方法のうち、第1層間絶縁膜及び第1配線を形成する工程を示す断面図である。FIG. 6A is a cross-sectional view showing a step of forming the first interlayer insulating film and the first wiring in the method for manufacturing the semiconductor memory device in the third embodiment of the present invention. 図6Bは、本発明の実施の形態3における半導体記憶装置の製造方法のうち、第3層間絶縁膜を形成する工程を示す断面図である。FIG. 6B is a cross-sectional view showing a step of forming a third interlayer insulating film in the method for manufacturing the semiconductor memory device in the third embodiment of the present invention. 図6Cの(a)は、本発明の実施の形態3における半導体記憶装置の製造方法のうち、TEOS膜を選択的にパターニングする工程を示す断面図であり、図6Cの(b)は、本発明の実施の形態3における半導体記憶装置の製造方法のうち、TEOS膜を選択的にパターニングする工程を示す上面視図である。FIG. 6C is a cross-sectional view showing a step of selectively patterning the TEOS film in the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention. FIG. It is a top view which shows the process of selectively patterning a TEOS film | membrane among the manufacturing methods of the semiconductor memory device in Embodiment 3 of invention. 図6Dは、本発明の実施の形態3における半導体記憶装置の製造方法のうち、第1電極膜、高酸素不足度膜、低酸素不足度膜及び第2電極膜を形成する工程を示す断面図である。6D is a cross-sectional view showing a step of forming the first electrode film, the high oxygen deficiency film, the low oxygen deficiency film, and the second electrode film in the method for manufacturing the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention. It is. 図6Eは、本発明の実施の形態3における半導体記憶装置の製造方法のうち、抵抗変化素子を形成する工程を示す断面図である。FIG. 6E is a cross-sectional view showing the step of forming the resistance change element in the method for manufacturing the semiconductor memory device in the third embodiment of the present invention. 図7Aは、本発明の実施の形態3の変形例における半導体記憶装置の構成例を示す平面図である。FIG. 7A is a plan view showing a configuration example of a semiconductor memory device according to a modification of the third embodiment of the present invention. 図7Bは、本発明の実施の形態3の変形例における半導体記憶装置の構成例を示す断面図である。FIG. 7B is a cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor memory device according to the modification of the third embodiment of the present invention. 図8の(a)は、本発明の実施の形態3の変形例における半導体記憶装置の製造方法のうち、TEOS膜を選択的にパターニングする工程を示す断面図であり、図8の(b)は、本発明の実施の形態3の変形例における半導体記憶装置の製造方法のうち、TEOS膜を選択的にパターニングする工程を示す上面視図である。FIG. 8A is a cross-sectional view showing a step of selectively patterning the TEOS film in the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the modification of the third embodiment of the present invention, and FIG. These are top view which shows the process of selectively patterning a TEOS film | membrane among the manufacturing methods of the semiconductor memory device in the modification of Embodiment 3 of this invention. 図9は、従来の第1の半導体記憶装置の構成例を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration example of a conventional first semiconductor memory device. 図10は、従来の第2の半導体記憶装置の構成例を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration example of a second conventional semiconductor memory device. 図11Aは、従来の第1及び第2の半導体記憶装置のSEM像による断面図である。FIG. 11A is a cross-sectional view of the conventional first and second semiconductor memory devices based on SEM images. 図11Bは、従来の第1及び第2の半導体記憶装置のSEM像による断面図である。FIG. 11B is a cross-sectional view of the conventional first and second semiconductor memory devices based on SEM images. 図12は、従来の第1及び第2の半導体記憶装置の初期ブレーク電圧のばらつきを示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing variations in initial break voltages of the conventional first and second semiconductor memory devices.

(用語の説明等)
本発明の実施形態において、「段差部」とは、断面視における屈曲形状を示している。「直線部」は、平面視における直線形状を示し、「曲部」は、平面視における非直線形状を示し、角や円弧等の形状を含んでいる。
(Explanation of terms, etc.)
In the embodiment of the present invention, the “step portion” indicates a bent shape in a sectional view. “Linear part” indicates a linear shape in plan view, and “curved part” indicates a non-linear shape in plan view, and includes shapes such as corners and arcs.

また、半導体記憶装置を構成する要素の形状の説明における「長方形」や「正方形」等は、一般的な長方形や正方形を指すだけでなく、通常の製造プロセスにおける角の丸みを含む形状も含むものとする。   In addition, “rectangle”, “square”, and the like in the description of the shapes of elements constituting the semiconductor memory device include not only general rectangles and squares but also shapes including rounded corners in a normal manufacturing process. .

「酸素含有率」は、遷移金属酸化物を構成する総原子数に対する含有酸素原子数の比率で示される。また、「酸素不足度」とは、それぞれの遷移金属酸化物において、その化学量論的な組成を有する酸化物を構成する酸素の量に対し、不足している酸素の割合をいう。   “Oxygen content” is indicated by the ratio of the number of oxygen atoms contained to the total number of atoms constituting the transition metal oxide. The “oxygen deficiency” refers to the ratio of oxygen deficiency with respect to the amount of oxygen constituting the oxide having the stoichiometric composition in each transition metal oxide.

「酸素不足型の遷移金属酸化物」とは、化学量論的な組成を有する遷移金属酸化物と比較して、酸素の含有量(原子比:総原子数に占める酸素原子数の割合)が少ない遷移金属酸化物をいう。   “Oxygen-deficient transition metal oxide” means that the oxygen content (atomic ratio: the ratio of the number of oxygen atoms to the total number of atoms) is higher than that of a transition metal oxide having a stoichiometric composition. Less transition metal oxide.

「化学量論的組成を有する遷移金属酸化物」とは、酸素不足度が0[%]の遷移金属酸化物を指す。例えば、タンタル酸化物の場合、絶縁体であるTaを指す。尚、酸素不足型とすることで遷移金属酸化物は導電性を有するようになる。 The “transition metal oxide having a stoichiometric composition” refers to a transition metal oxide having an oxygen deficiency of 0%. For example, in the case of tantalum oxide, it refers to Ta 2 O 5 which is an insulator. Note that the transition metal oxide has conductivity by adopting an oxygen-deficient type.

より具体的には、遷移金属がタンタル(Ta)の場合、遷移金属酸化物の化学量論的な酸化物の組成はTaであるので、TaO2.5と表現できる。TaO2.5の酸素不足度は0[%]である。例えばTaO1.5の組成の酸素不足型のタンタル酸化物の酸素不足度は、酸素不足度=(2.5−1.5)/2.5=40[%]となる。これに対して、酸素含有率とは、上述したように、当該遷移金属酸化物を構成する総原子数に対する含有酸素原子数の比率で示される。Taの酸素含有率は、総原子数に占める酸素原子数の比率(O/(Ta+O))であり、71.4[atm%]となる。したがって、酸素不足型のタンタル酸化物は、酸素含有率は0より大きく、71.4[atm%]より小さいことになる。 More specifically, when the transition metal is tantalum (Ta), the stoichiometric composition of the transition metal oxide is Ta 2 O 5 , and can be expressed as TaO 2.5 . The degree of oxygen deficiency of TaO 2.5 is 0 [%]. For example, the oxygen deficiency of an oxygen deficient tantalum oxide having a composition of TaO 1.5 is oxygen deficiency = (2.5−1.5) /2.5=40 [%]. On the other hand, as described above, the oxygen content is represented by the ratio of the number of oxygen atoms contained to the total number of atoms constituting the transition metal oxide. The oxygen content of Ta 2 O 5 is the ratio of the number of oxygen atoms to the total number of atoms (O / (Ta + O)), which is 71.4 [atm%]. Therefore, the oxygen-deficient tantalum oxide has an oxygen content larger than 0 and smaller than 71.4 [atm%].

(発明の経緯等)
以下、本発明の詳細を説明する前に、本発明者らが実験によって得た新たな知見について説明する。
(Background of the invention)
Hereinafter, before explaining the details of the present invention, new findings obtained by the inventors through experiments will be described.

図9及び図10は、従来の抵抗変化型の半導体記憶装置の一例を模式的に示す断面図である。   9 and 10 are cross-sectional views schematically showing an example of a conventional resistance change type semiconductor memory device.

図9に示すように、従来の抵抗変化素子を備える抵抗変化型の半導体記憶装置1000は、基板1100上に形成された第1の配線1101と、この第1の配線1101を被覆する第1の層間絶縁層1102と、第1の層間絶縁層1102を貫通して第1の配線1101に到達する第1のコンタクトホール1103の内部に埋め込み形成され、第1の配線1101と電気的に接続する第1のコンタクトプラグ1104とを備えている。   As shown in FIG. 9, a resistance change type semiconductor memory device 1000 including a conventional resistance change element includes a first wiring 1101 formed on a substrate 1100 and a first wiring covering the first wiring 1101. An interlayer insulating layer 1102 and a first contact hole 1103 penetrating through the first interlayer insulating layer 1102 and reaching the first wiring 1101 are embedded and electrically connected to the first wiring 1101. 1 contact plug 1104.

更に、半導体記憶装置1000は、第1のコンタクトプラグ1104の露出した表面全体を被覆するように、第1の層間絶縁層1102上に形成された下部電極1105と、下部電極1105上に形成された抵抗変化層1106と、抵抗変化層1106上に形成された上部電極1107とを有する抵抗変化素子を備えている。   Further, the semiconductor memory device 1000 is formed on the lower electrode 1105 and the lower electrode 1105 formed on the first interlayer insulating layer 1102 so as to cover the entire exposed surface of the first contact plug 1104. A resistance change element having a resistance change layer 1106 and an upper electrode 1107 formed on the resistance change layer 1106 is provided.

更に、半導体記憶装置1000は、抵抗変化素子を被覆するように形成された第2の層間絶縁層1108と、第2の層間絶縁層1108を貫通して上部電極1107に到達する第2のコンタクトホール1109の内部に埋め込み形成され、上部電極1107と電気的に接続する第2のコンタクトプラグ1110と、第2のコンタクトプラグ1110と電気的に接続する第2の配線1111を備えている。   Further, the semiconductor memory device 1000 includes a second interlayer insulating layer 1108 formed so as to cover the variable resistance element, and a second contact hole that reaches the upper electrode 1107 through the second interlayer insulating layer 1108. A second contact plug 1110 embedded in 1109 and electrically connected to the upper electrode 1107 and a second wiring 1111 electrically connected to the second contact plug 1110 are provided.

より詳しくは、抵抗変化層1106は、酸素不足型の第1遷移金属酸化物を用いて構成された第1の抵抗変化層1106a(高酸素不足度層)と、第1遷移金属酸化物より酸素不足度が小さい第2遷移金属酸化物で構成された第2の抵抗変化層1106b(低酸素不足度層)との積層構造を有している。   More specifically, the resistance change layer 1106 includes a first resistance change layer 1106a (high oxygen deficiency layer) formed using an oxygen-deficient first transition metal oxide, and oxygen from the first transition metal oxide. It has a laminated structure with the second resistance change layer 1106b (low oxygen deficiency layer) made of the second transition metal oxide with a low deficiency.

このような構造の抵抗変化素子は、電圧パルスを印加すると、酸素不足度が小さく、より高い抵抗値を示す第2の抵抗変化層1106bに、ほとんどの電圧が印加されることになる。また、第2の抵抗変化層1106bと上部電極1107との界面近傍では、反応に寄与できる酸素も豊富に存在する。よって、上部電極1107と第2の抵抗変化層1106bとの界面で、選択的に酸化・還元の反応が起こり、安定に抵抗変化を実現することができる。   When a voltage pulse is applied to the variable resistance element having such a structure, most of the voltage is applied to the second variable resistance layer 1106b having a low oxygen deficiency and a higher resistance value. Further, in the vicinity of the interface between the second resistance change layer 1106b and the upper electrode 1107, there is also abundant oxygen that can contribute to the reaction. Therefore, an oxidation / reduction reaction occurs selectively at the interface between the upper electrode 1107 and the second resistance change layer 1106b, and the resistance change can be realized stably.

上記した酸素不足度の異なる2つの遷移金属酸化物の積層構造を抵抗変化層として機能させるためには、製造後、初期に1度、初期ブレーク電圧を印加する初期ブレーク動作を行う必要がある。初期ブレーク電圧を印加すると、2つの遷移金属酸化物のうち、酸素不足度が小さく高い抵抗値を示す第2遷移金属酸化物の一部が局所的に短絡(初期ブレーク)して、抵抗変化が生じる状態に遷移する。初期ブレーク電圧の電圧値は、一般的に、半導体記憶装置の通常動作時において抵抗変化層の抵抗状態を変化させるために印加する電圧パルスの電圧値より、大きい値となっている。   In order to make the above-described laminated structure of two transition metal oxides having different degrees of oxygen deficiency function as a resistance change layer, it is necessary to perform an initial break operation of applying an initial break voltage once in the initial stage after manufacturing. When the initial break voltage is applied, a part of the second transition metal oxide having a small oxygen deficiency and a high resistance value among the two transition metal oxides is locally short-circuited (initial break), and the resistance change is caused. Transition to the resulting state. The voltage value of the initial break voltage is generally larger than the voltage value of the voltage pulse applied to change the resistance state of the resistance change layer during the normal operation of the semiconductor memory device.

ここで、図9に示す半導体記憶装置1000では、第1のコンタクトプラグ1104の上面と第1の層間絶縁層1102の上面は連続的ではなく、その不連続部にリセス(5〜50[nm])が発生している。このため、第1のコンタクトプラグ1104の上部に形成される下部電極1105、第1の抵抗変化層1106a、第2の抵抗変化層1106b及び上部電極1107の表面にも、緩やかなリセスが生じている。当該リセスは、抵抗変化特性の素子間ばらつきを生じさせ、初期ブレーク電圧がばらつくという問題がある。   Here, in the semiconductor memory device 1000 shown in FIG. 9, the upper surface of the first contact plug 1104 and the upper surface of the first interlayer insulating layer 1102 are not continuous, and recesses (5 to 50 [nm]) are formed in the discontinuous portions. ) Has occurred. Therefore, gentle recesses are also generated on the surfaces of the lower electrode 1105, the first variable resistance layer 1106a, the second variable resistance layer 1106b, and the upper electrode 1107 formed on the first contact plug 1104. . The recess has a problem that the resistance change characteristic varies between elements and the initial break voltage varies.

これに対し、図10に示すように、下部電極1105の表面を平坦化してリセスを解消し、初期ブレーク電圧のばらつきを抑えた半導体記憶装置1001がある。より具体的には、図10に示す半導体記憶装置1001は、下部電極1105が、第1のコンタクトプラグ1104の上部に発生したリセスの部分にも入り込んで形成され、下部電極1105の表面が平坦になっている。結果として、第1の層間絶縁層1102より第1のコンタクトプラグ1104上の下部電極1105の膜厚が厚くなっている。   On the other hand, as shown in FIG. 10, there is a semiconductor memory device 1001 in which the surface of the lower electrode 1105 is flattened to eliminate the recess and suppress the variation in the initial break voltage. More specifically, in the semiconductor memory device 1001 illustrated in FIG. 10, the lower electrode 1105 is formed so as to enter the recessed portion generated above the first contact plug 1104, so that the surface of the lower electrode 1105 is flat. It has become. As a result, the thickness of the lower electrode 1105 on the first contact plug 1104 is thicker than that of the first interlayer insulating layer 1102.

図10に示す抵抗変化型の半導体記憶装置1001は、表面の平坦度が良好なことにより、抵抗変化層1106の形状及び膜厚のばらつきが抑制され、抵抗変化特性のばらつきを低減することができる。とりわけ、より薄膜で酸素不足度が小さく、高抵抗となる第2の抵抗変化層1106bの膜厚ばらつきが抑制され、初期ブレーク動作が安定することで、ビット毎のばらつきを大幅に低減し、大容量の半導体記憶装置(不揮発性メモリ)を実現することができる。   The resistance change type semiconductor memory device 1001 shown in FIG. 10 has excellent surface flatness, so that variations in the shape and film thickness of the resistance change layer 1106 can be suppressed, and variations in resistance change characteristics can be reduced. . In particular, the variation in film thickness of the second resistance change layer 1106b, which is a thin film with a small oxygen deficiency and high resistance, is suppressed, and the initial break operation is stabilized, thereby greatly reducing the variation for each bit. A semiconductor memory device (nonvolatile memory) having a capacity can be realized.

しかしながら、図10に示す半導体記憶装置1001では、初期ブレーク電圧がばらつくという課題は解消できるものの、初期ブレーク電圧が大きくなるという課題が生じる。   However, in the semiconductor memory device 1001 shown in FIG. 10, the problem that the initial break voltage varies can be solved, but the problem that the initial break voltage becomes large occurs.

以下では、図11および図12を参照しながら、当該課題に対する新たな知見について説明するが、これは後述の本発明の実施形態を理解するための一助とするものである。したがって、本発明はこれらの図面およびその解説に限定されない。   In the following, new knowledge on the subject will be described with reference to FIGS. 11 and 12, which is intended to assist in understanding embodiments of the present invention described later. Therefore, the present invention is not limited to these drawings and the description thereof.

図11Aは、図9に示す第1の従来例の半導体記憶装置1000を実際に試作し、走査型電子顕微鏡(SEM)で撮像した断面図である。図11Bは、図10に示す第2の従来例の半導体記憶装置1001を実際に試作し、SEMで撮像した断面図である。   FIG. 11A is a cross-sectional view of the first conventional semiconductor memory device 1000 shown in FIG. 9, which was actually made as a prototype and imaged with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 11B is a cross-sectional view of the semiconductor memory device 1001 of the second conventional example shown in FIG.

本実験では、半導体記憶装置1000及び半導体記憶装置1001のいずれも、第1のコンタクトプラグ1104は、材料としてタングステンを用いて形成した。   In this experiment, in both the semiconductor memory device 1000 and the semiconductor memory device 1001, the first contact plug 1104 is formed using tungsten as a material.

また、下部電極1105は、上面から、窒化タンタルを材料として用いた窒化タンタル層、窒化チタンアルミを材料として用いた窒化チタンアルミ層、窒化チタンを材料として用いた窒化チタン層の3つの層を積層して形成した(積層構造)。   The lower electrode 1105 includes three layers, a tantalum nitride layer using tantalum nitride as a material, a titanium nitride aluminum layer using titanium nitride aluminum as a material, and a titanium nitride layer using titanium nitride as a material from the upper surface. (Laminated structure).

また、抵抗変化層1106の第1の抵抗変化層1106aは、酸素不足型(酸素欠損型)の第1遷移金属酸化物の一例としてのタンタル酸化物(TaO)で形成した。また、第2の抵抗変化層1106bは、第2遷移金属酸化物の一例としてのTa(実際は十分高抵抗だが少し酸素が不足している場合がある)で形成した。 The first variable resistance layer 1106a of the variable resistance layer 1106 was formed of tantalum oxide (TaO x ) as an example of an oxygen-deficient (oxygen deficient) first transition metal oxide. The second resistance change layer 1106b is formed of Ta 2 O 5 (actually sufficiently high resistance but may be slightly deficient in oxygen) as an example of the second transition metal oxide.

上部電極1107は、上部電極材料してイリジウムを用いて形成した。   The upper electrode 1107 was formed using iridium as the upper electrode material.

第2のコンタクトプラグ1110は、材料としてタングステンを用いて形成した。   The second contact plug 1110 was formed using tungsten as a material.

図11Aに示すように、半導体記憶装置1000では、第1のコンタクトプラグ1104上にリセスが発生しており、それが下部電極1105の形状に影響し、下部電極1105の表面に約40[nm]の凹みが発生している。同様に、下部電極1105の凹みが、その上部に形成された抵抗変化層1106に影響し、抵抗変化層1106は、中央部に凹みが発生している。これにより、抵抗変化層1106の中央部の膜厚が、他の部分と比較して、若干薄くなっている。特に、上部電極1107と下部電極1105との間に電圧を印加した場合に、実効的に電圧が印加されることとなる第2の抵抗変化層1106bは、数[nm]と薄いので、その形状及び膜厚ばらつきは、抵抗変化特性のばらつきに影響していた。   As shown in FIG. 11A, in the semiconductor memory device 1000, a recess is generated on the first contact plug 1104, which affects the shape of the lower electrode 1105, and about 40 [nm] on the surface of the lower electrode 1105. The dent has occurred. Similarly, the recess of the lower electrode 1105 affects the resistance change layer 1106 formed thereon, and the resistance change layer 1106 has a recess at the center. Thereby, the film thickness of the central portion of the resistance change layer 1106 is slightly thinner than other portions. In particular, when a voltage is applied between the upper electrode 1107 and the lower electrode 1105, the second resistance change layer 1106b to which a voltage is effectively applied is as thin as a few [nm], so that its shape In addition, the film thickness variation has affected the variation in resistance change characteristics.

一方、図11Bに示すように、半導体記憶装置1001では、下部電極1105の表面が平坦になるように形成されている。このため、下部電極1105の上に形成された第1の抵抗変化層1106a及び第2の抵抗変化層1106bの表面も平坦な形状となり、膜厚ばらつきも極めて少なくなっている。   On the other hand, as shown in FIG. 11B, in the semiconductor memory device 1001, the surface of the lower electrode 1105 is formed to be flat. For this reason, the surfaces of the first variable resistance layer 1106a and the second variable resistance layer 1106b formed on the lower electrode 1105 are also flat, and the film thickness variation is extremely small.

図12は、上述の半導体記憶装置1000及び半導体記憶装置1001の初期ブレーク電圧を示したグラフである。より詳細には、このグラフは、抵抗変化素子と負荷抵抗5k[Ω]を直列につないだ場合に要した初期ブレーク電圧を評価した結果を示している。グラフの縦軸は、初期ブレーク電圧[V]を示し、グラフの横軸の“1”は半導体記憶装置1000を、“2”は半導体記憶装置1001を示している。   FIG. 12 is a graph showing initial break voltages of the semiconductor memory device 1000 and the semiconductor memory device 1001 described above. More specifically, this graph shows a result of evaluating an initial break voltage required when a variable resistance element and a load resistance 5 k [Ω] are connected in series. The vertical axis of the graph indicates the initial break voltage [V], “1” on the horizontal axis of the graph indicates the semiconductor memory device 1000, and “2” indicates the semiconductor memory device 1001.

図12からわかるように、半導体記憶装置1000は、初期ブレーク電圧が2〜6[V](平均値約5[V])となっており、半導体記憶装置1001は、初期ブレーク電圧が5.5〜6.5[V](平均値約6[V])となっている。即ち、半導体記憶装置1000は、半導体記憶装置1001に比べて、大きいばらつきが見られる。これは、リセスが発生し、そのリセス量がばらつくこと(0〜50[nm])により、第2の抵抗変化層1106bの膜厚が、薄膜化あるいは局所的に短絡する方向へばらつくことを示唆している。   As can be seen from FIG. 12, the semiconductor memory device 1000 has an initial break voltage of 2 to 6 [V] (average value of about 5 [V]), and the semiconductor memory device 1001 has an initial break voltage of 5.5. To 6.5 [V] (average value of about 6 [V]). That is, the semiconductor memory device 1000 has a large variation compared to the semiconductor memory device 1001. This suggests that the thickness of the second resistance change layer 1106b varies in the direction of thinning or local short-circuiting due to the occurrence of recesses and variations in the amount of recesses (0 to 50 [nm]). doing.

一方、半導体記憶装置1001では、半導体記憶装置1000に比べ、初期ブレーク電圧のばらつきは抑制される。しかし、半導体記憶装置1000の平均値が約5[V]なのに対し、半導体記憶装置1001の平均値は、約6[V]前後と高い。これは、リセス量がばらついても、第2の抵抗変化層1106bの膜厚に影響が出にくい構造を採用したために、膜厚のばらつきが抑制され、初期ブレーク電圧のばらつきが抑制されたものである。しかし、その一方で、局所的に薄膜化する部位、屈曲した部位が存在しなくなったために、すなわち初期ブレークしやすい箇所がなくなった故に、初期ブレーク電圧が高いものと考えられる。   On the other hand, in the semiconductor memory device 1001, variations in the initial break voltage are suppressed compared to the semiconductor memory device 1000. However, the average value of the semiconductor memory device 1000 is about 5 [V], whereas the average value of the semiconductor memory device 1001 is as high as about 6 [V]. This is because the variation in the film thickness is suppressed and the variation in the initial break voltage is suppressed because the structure in which the film thickness of the second resistance change layer 1106b is hardly affected even if the recess amount varies. is there. However, on the other hand, it is considered that the initial break voltage is high because there are no locally thinned parts or bent parts, that is, there are no easy-to-break parts.

本発明は、上記知見に基づいて着想され、完成されたものである。以下に、本発明の実施の形態について説明する。   The present invention has been conceived and completed based on the above findings. Embodiments of the present invention will be described below.

(本発明に係る半導体記憶装置及びその製造方法の概要)
本発明に係る半導体記憶装置は、前記基板と、前記基板上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に、表面の少なくとも一部が前記層間絶縁膜の上面から露出した状態で形成された配線と、前記層間絶縁膜の上面と前記配線の露出面との境界を跨いで形成された下部電極と、酸素不足型の第2遷移金属酸化物を用いて構成された低酸素不足度層と、前記第2遷移金属酸化物より酸素不足度が大きい第1遷移金属酸化物を用いて構成された高酸素不足度層とを、前記下部電極上に積層して構成された抵抗変化層と、前記抵抗変化層上に形成された上部電極とを備え、前記層間絶縁膜の前記上面と前記配線の前記露出面との境界には、段差が形成され、前記抵抗変化層の前記低酸素不足度層は、前記境界の形状に沿って形成されることで、断面視における段差部を有する。
(Outline of Semiconductor Memory Device and Manufacturing Method According to the Present Invention)
The semiconductor memory device according to the present invention is formed on the substrate, the interlayer insulating film formed on the substrate, and on the interlayer insulating film in a state where at least a part of the surface is exposed from the upper surface of the interlayer insulating film. A low oxygen deficiency degree formed using the formed wiring, the lower electrode formed across the boundary between the upper surface of the interlayer insulating film and the exposed surface of the wiring, and the oxygen-deficient second transition metal oxide A variable resistance layer formed by laminating a layer and a high oxygen deficiency layer composed of a first transition metal oxide having a greater oxygen deficiency than the second transition metal oxide on the lower electrode And an upper electrode formed on the variable resistance layer, a step is formed at a boundary between the upper surface of the interlayer insulating film and the exposed surface of the wiring, and the low oxygen content of the variable resistance layer The deficiency layer is formed along the shape of the boundary, Having a step portion in a plane view.

この構成により、低酸素不足度層に初期ブレークしやすい段差部を形成することにより、初期ブレーク電圧の低電圧化を図ることができる。また、段差部の形状は、層間絶縁膜と配線との境界で形成するので、意図的に制御することが容易であり、低酸素不足度層の段差部の形状を安定させることが可能になる。段差部の形状が安定することで、初期ブレーク電圧のばらつきを抑制可能になる。以上により、本発明にかかる半導体記憶装置では、初期ブレーク電圧の低電圧化と、そのばらつきの抑制を両立することができる。   With this configuration, it is possible to reduce the initial break voltage by forming a stepped portion that easily breaks in the low oxygen deficiency layer. Further, since the shape of the step portion is formed at the boundary between the interlayer insulating film and the wiring, it is easy to control intentionally, and the shape of the step portion of the low oxygen deficiency layer can be stabilized. . By stabilizing the shape of the stepped portion, variations in the initial break voltage can be suppressed. As described above, in the semiconductor memory device according to the present invention, both the reduction of the initial break voltage and the suppression of the variation can be achieved.

更に、本発明に係る半導体記憶装置は、層間絶縁膜と配線との境界を利用して、低酸素不足度層に段差部を形成するので、当該段差部を形成するための特別な工程を必要とせず、製造時のコストの増大を効果的に抑えることができる。   Furthermore, since the semiconductor memory device according to the present invention forms a step portion in the low oxygen deficiency layer using the boundary between the interlayer insulating film and the wiring, a special process for forming the step portion is required. However, an increase in manufacturing cost can be effectively suppressed.

初期ブレーク電圧の低電圧化とばらつきの抑制を両立することが可能になることで、抵抗変化型の半導体記憶装置(メモリ)のさらなる微細化・大容量化を図ることができる。   Since it is possible to achieve both a reduction in the initial break voltage and suppression of variations, the resistance change type semiconductor memory device (memory) can be further miniaturized and increased in capacity.

さらに好ましくは、本発明に係る半導体記憶装置の一態様は、前記抵抗変化層の前記高酸素不足度層は、前記下部電極上に形成され、前記抵抗変化層の前記低酸素不足度層は、前記高酸素不足度層上に形成される。   More preferably, in one aspect of the semiconductor memory device according to the present invention, the high oxygen deficiency layer of the resistance change layer is formed on the lower electrode, and the low oxygen deficiency layer of the resistance change layer includes: It is formed on the high oxygen deficiency layer.

このように構成すれば、製造時において、抵抗変化素子の素子形状のエッチング加工がしやすいため、抵抗変化素子の形状を安定させることが可能になる。エッチング加工がしやすいことにより、微細化に有利である。   With this configuration, the shape of the resistance change element can be stabilized because the element shape of the resistance change element can be easily etched during manufacturing. It is advantageous for miniaturization because of easy etching.

さらに好ましくは、本発明に係る半導体記憶装置の一態様は、前記抵抗変化層の前記低酸素不足度層は、前記下部電極上に形成され、前記抵抗変化層の前記高酸素不足度層は、前記低酸素不足度上に形成される。   More preferably, in one aspect of the semiconductor memory device according to the present invention, the low oxygen deficiency layer of the resistance change layer is formed on the lower electrode, and the high oxygen deficiency layer of the resistance change layer includes: It is formed on the low oxygen deficiency.

このように構成すれば、低酸素不足度層が下部電極に近い位置に形成されるので、低酸素不足度層の段差部が、層間絶縁膜と配線との境界に形成される段差のより近くに形成されるようになる。即ち、段差部における角の部分の曲率は、より小さくなるので、電界が集中しやすくなり、初期ブレーク電圧の低電圧化を図ることが可能になる。さらに、段差部における角の部分の曲率のばらつきが低減されるので、初期ブレーク電圧のそのばらつきをより効果的に抑制することが可能になる。また、段差部を低酸素不足度層の中央に位置するように形成することがより容易になる。   With this configuration, since the low oxygen deficiency layer is formed at a position close to the lower electrode, the step portion of the low oxygen deficiency layer is closer to the step formed at the boundary between the interlayer insulating film and the wiring. Will be formed. That is, since the curvature of the corner portion in the step portion is smaller, the electric field is easily concentrated, and the initial break voltage can be lowered. Furthermore, since the variation in the curvature of the corner portion in the step portion is reduced, the variation in the initial break voltage can be more effectively suppressed. In addition, it becomes easier to form the step portion so as to be located at the center of the low oxygen deficiency layer.

さらに好ましくは、本発明に係る半導体記憶装置の一態様は、前記下部電極は、前記層間絶縁膜の前記上面と前記配線の前記露出面との前記境界の一部を跨いで形成される。   More preferably, in one aspect of the semiconductor memory device according to the present invention, the lower electrode is formed across a part of the boundary between the upper surface of the interlayer insulating film and the exposed surface of the wiring.

さらに好ましくは、本発明に係る半導体記憶装置の一態様は、前記配線の前記露出面の全面が、前記層間絶縁膜の前記上面より上側となるように形成される。   More preferably, in one aspect of the semiconductor memory device according to the present invention, the entire exposed surface of the wiring is formed above the upper surface of the interlayer insulating film.

さらに好ましくは、本発明に係る半導体記憶装置の一態様は、前記配線の前記露出面が、前記層間絶縁膜の前記上面より下側となるように形成され、且つ、前記層間絶縁膜は、前記配線の前記上面の一部を被覆するように形成される。   More preferably, in one aspect of the semiconductor memory device according to the present invention, the exposed surface of the wiring is formed so as to be lower than the upper surface of the interlayer insulating film, and the interlayer insulating film includes: The wiring is formed so as to cover a part of the upper surface of the wiring.

さらに好ましくは、本発明に係る半導体記憶装置の一態様は、前記低酸素不足度層の断面視における前記段差部が、平面視において直線形状である。   More preferably, in one aspect of the semiconductor memory device according to the present invention, the stepped portion in the cross-sectional view of the low oxygen deficiency layer has a linear shape in a plan view.

さらに好ましくは、本発明に係る半導体記憶装置の一態様は、前記低酸素不足度層の断面視における前記段差部が、平面視において曲部を持つ。   More preferably, in one aspect of the semiconductor memory device according to the present invention, the stepped portion in a cross-sectional view of the low oxygen deficiency layer has a curved portion in a plan view.

このように構成すれば、平面視における曲部は、電界が集中しやすいため、初期ブレーク電圧のさらなる低電圧化を図ることが可能になる。   If configured in this manner, the electric field tends to concentrate at the curved portion in plan view, so that the initial break voltage can be further reduced.

さらに好ましくは、本発明に係る半導体記憶装置の一態様は、前記第1遷移金属酸化物及び前記第2遷移金属酸化物は、タンタル、ハフニウム、または、ジルコニウムを含む材料で構成される。   More preferably, in one embodiment of the semiconductor memory device according to the present invention, the first transition metal oxide and the second transition metal oxide are made of a material containing tantalum, hafnium, or zirconium.

このように材料を選択することにより、抵抗変化現象をより安定的に発現させることができる。   By selecting the material in this way, the resistance change phenomenon can be expressed more stably.

さらに好ましくは、本発明に係る半導体記憶装置の一態様は、前記第2遷移金属酸化物は、絶縁体で構成される。   More preferably, in one aspect of the semiconductor memory device according to the present invention, the second transition metal oxide is made of an insulator.

このように材料を選択することにより、抵抗変化現象を、さらに安定的に発現させることができる。   By selecting the material in this manner, the resistance change phenomenon can be expressed more stably.

さらに好ましくは、本発明に係る半導体記憶装置の一態様は、前記下部電極及び前記上部電極のうち、前記低酸素不足度層に接して形成される電極は、白金、パラジウム、イリジウム、または、これらの混合物を含む材料で構成される。   More preferably, in one aspect of the semiconductor memory device according to the present invention, the electrode formed in contact with the low oxygen deficiency layer among the lower electrode and the upper electrode is platinum, palladium, iridium, or these It is comprised with the material containing the mixture of these.

このように材料を選択することにより、抵抗変化現象を、低酸素不足度層の近傍に限定的に発現させることができる。   By selecting the material in this manner, the resistance change phenomenon can be limitedly expressed in the vicinity of the low oxygen deficiency layer.

本発明に係る半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する第1工程と、前記層間絶縁膜上に、表面の少なくとも一部を前記層間絶縁膜の表面から露出させ、且つ、前記層間絶縁膜との境界に段差を有するように配線を形成する第2工程と、前記層間絶縁膜の上面と前記配線の露出面との境界を跨いだ状態で、下部電極膜を形成する第3工程と、前記下部電極膜上に、酸素不足型の第2遷移金属酸化物で構成された低酸素不足度膜と、前記第2遷移金属酸化物より酸素不足度が大きい第1遷移金属酸化物で構成された高酸素不足度膜とを、この順に或いは逆の順に積層して抵抗変化膜を形成する第4工程と、前記抵抗変化膜上に上部電極膜を形成する第5工程と、前記下部電極膜、前記抵抗変化膜及び前記上部電極膜を、前記段差に沿って形成された前記低酸素不足度膜の段差部を含む形状に加工する第6工程とを含む。   The method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention includes a first step of forming an interlayer insulating film on a semiconductor substrate, and exposing at least a part of the surface from the surface of the interlayer insulating film on the interlayer insulating film, And forming a lower electrode film in a state of straddling the boundary between the upper surface of the interlayer insulating film and the exposed surface of the wiring, in a second step of forming the wiring so as to have a step at the boundary with the interlayer insulating film. A third step, a low oxygen deficiency film composed of an oxygen deficient second transition metal oxide on the lower electrode film, and a first transition having a greater oxygen deficiency than the second transition metal oxide A fourth step of forming a resistance change film by laminating a high oxygen deficiency film made of metal oxide in this order or the reverse order; and a fifth step of forming an upper electrode film on the resistance change film. And the lower electrode film, the resistance change film and the upper electrode film And a sixth step of processing into a shape including a step portion of the low degree of oxygen deficiency film formed along the stepped.

このように、第1工程及び第2工程において、配線と層間絶縁膜との境界に段差を形成し、当該段差を利用して、抵抗変化素子を形成するための第3工程〜第5工程を実行するので、特別な工程を必要とせずに、低酸素不足度層に段差部を形成できる。即ち、非常に高価なフォトマスクの追加等が必ずしも必要なくなることから、製造時におけるコスト増大を防止可能になる。また、低酸素不足度層に段差部を形成するので、初期ブレーク電圧の低電圧化を図ることができる。更に、段差を利用して、低酸素不足度層に段差部を形成するので、段差部の形状を意図的に制御することが容易になる。段差部の形状を安定させることができるため、初期ブレーク電圧の抵抗変化素子間のばらつきも抑制できる。以上より、初期ブレーク電圧の低電圧化とそのばらつきの抑制を両立することができる半導体記憶装置の製造方法を提供できる。   Thus, in the first step and the second step, a step is formed at the boundary between the wiring and the interlayer insulating film, and the third step to the fifth step for forming the resistance change element using the step are performed. Since it performs, a level | step-difference part can be formed in a low oxygen deficiency layer, without requiring a special process. That is, since it is not always necessary to add a very expensive photomask, an increase in cost during manufacturing can be prevented. Further, since the step portion is formed in the low oxygen deficiency layer, the initial break voltage can be lowered. Furthermore, since the step portion is formed in the low oxygen deficiency layer using the step, it becomes easy to intentionally control the shape of the step portion. Since the shape of the stepped portion can be stabilized, variation in the initial break voltage between the resistance change elements can also be suppressed. From the above, it is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor memory device that can achieve both a reduction in the initial break voltage and suppression of variations thereof.

さらに好ましくは、本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の一態様は、前記第4工程は、前記下部電極膜上に前記高酸素不足度膜を形成する工程と、前記高酸素不足度膜上に前記低酸素不足度膜を形成する工程とを有する。   More preferably, in one aspect of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, the fourth step includes a step of forming the high oxygen deficiency film on the lower electrode film, and a step on the high oxygen deficiency film. Forming the low oxygen deficiency film.

さらに好ましくは、本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の一態様は、前記第4工程は、前記下部電極膜上に前記低酸素不足度膜を形成する工程と、前記低酸素不足度膜上に前記高酸素不足度膜を形成する工程とを有する。   More preferably, in one aspect of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, the fourth step includes a step of forming the low oxygen deficiency film on the lower electrode film, and a step on the low oxygen deficiency film. Forming the high oxygen deficiency film.

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Each of the embodiments described below shows a preferred specific example of the present invention. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of components, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present invention. The invention is specified by the claims. Therefore, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept of the present invention are not necessarily required to achieve the object of the present invention, but are more preferable. It will be described as constituting a form.

(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る半導体記憶装置、及び、本発明の実施の形態1に係る半導体記憶装置の製造方法について、図1A、図1B、図2A〜図2Gを基に説明する。
(Embodiment 1)
The semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention and the method for manufacturing the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A, 1B, and 2A to 2G.

(実施の形態1に係る半導体記憶装置の構成)
先ず、実施の形態1に係る半導体記憶装置の構成について説明する。ここで、図1Aは、本発明の実施の形態1における半導体記憶装置90の模式的な平面図(上面図)である。また、図1Bは、図1AのX−X’断面に対応する半導体記憶装置90の断面図である。尚、図1A及び図1Bは、説明のため、実際に構成される半導体記憶装置の形状寸法比とは異なった図となっている。
(Configuration of Semiconductor Memory Device According to First Embodiment)
First, the configuration of the semiconductor memory device according to the first embodiment will be described. Here, FIG. 1A is a schematic plan view (top view) of the semiconductor memory device 90 according to the first embodiment of the present invention. 1B is a cross-sectional view of the semiconductor memory device 90 corresponding to the XX ′ cross section of FIG. 1A. Note that FIGS. 1A and 1B are diagrams different from the shape-dimension ratio of an actually configured semiconductor memory device for explanation.

図1A及び図1Bに示すように、半導体記憶装置90は、基板Sと、基板Sの上に配置された第1層間絶縁膜1と、第1層間絶縁膜1の上に形成された第1配線51と、第1層間絶縁膜1と第1配線51との境界を跨いで形成され、第1配線51と電気的に接続された抵抗変化素子70と、第1配線51および抵抗変化素子70を被覆して形成された第2層間絶縁膜2と、第2層間絶縁膜2を貫通して抵抗変化素子70と電気的に接続するプラグ40と、第2層間絶縁膜2上に形成され、プラグ40と電気的に接続する第2配線52とを備えている。尚、本発明に係る半導体記憶装置は、実施の形態1では、第1層間絶縁膜1、第1配線51及び抵抗変化素子70で構成される。即ち、基板S、プラグ40、第2層間絶縁膜2、第2配線52は本発明の必須構成ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明する。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the semiconductor memory device 90 includes a substrate S, a first interlayer insulating film 1 disposed on the substrate S, and a first layer formed on the first interlayer insulating film 1. The resistance change element 70 formed across the boundary between the wiring 51, the first interlayer insulating film 1 and the first wiring 51, and electrically connected to the first wiring 51, and the first wiring 51 and the resistance change element 70 Formed on the second interlayer insulating film 2, the plug 40 that penetrates the second interlayer insulating film 2 and is electrically connected to the resistance change element 70, and the second interlayer insulating film 2. A second wiring 52 electrically connected to the plug 40 is provided. In the first embodiment, the semiconductor memory device according to the present invention includes the first interlayer insulating film 1, the first wiring 51, and the resistance change element 70. That is, the substrate S, the plug 40, the second interlayer insulating film 2, and the second wiring 52 are not essential components of the present invention, but will be described as constituting a more preferable form.

より詳細には、第1層間絶縁膜1は、本実施の形態1では、シリコン酸化物(SiO)、特に、プラズマTEOS膜を主成分とする材料構成されている。尚、第1層間絶縁膜1の材料は、シリコン酸化物(SiO)に限られるものではない。第1層間絶縁膜1の材料は、例えば、フッ素含有酸化物(例えば、FSG)やlow−k材料等、配線間の寄生容量が低減できる絶縁材料が好ましい。 More specifically, in the first embodiment, the first interlayer insulating film 1 is composed of a material mainly composed of silicon oxide (SiO 2 ), particularly a plasma TEOS film. Note that the material of the first interlayer insulating film 1 is not limited to silicon oxide (SiO 2 ). The material of the first interlayer insulating film 1 is preferably an insulating material that can reduce parasitic capacitance between wirings, such as a fluorine-containing oxide (for example, FSG) or a low-k material.

本実施の形態1の第1配線51は、平面視における形状が直線形状(長方形状)、断面視における形状が長方形状の角柱状に形成されている。より詳細には、本実施の形態1では、第1配線51は、第1層間絶縁膜1の内部に一部が埋没するように形成されており、その表面(上面)の高さが、第1層間絶縁膜1の表面の高さとは一致しておらず、凸型に第1層間絶縁膜1の表面から突き出した状態に形成されている。これにより、第1配線51の露出面と第1層間絶縁膜1の表面との境界には、5〜100[nm]の段差1aが形成されている。ここで、第1配線51の露出面は、第1配線51の表面のうち、第1層間絶縁膜1と接していない面を指している。   The first wiring 51 of the first embodiment is formed in a prismatic shape having a linear shape (rectangular shape) in plan view and a rectangular shape in sectional view. More specifically, in the first embodiment, the first wiring 51 is formed so as to be partially buried inside the first interlayer insulating film 1, and the height of the surface (upper surface) is The height of the surface of the first interlayer insulating film 1 does not coincide with the surface of the first interlayer insulating film 1, and is protruded from the surface of the first interlayer insulating film 1. Thereby, a step 1 a of 5 to 100 [nm] is formed at the boundary between the exposed surface of the first wiring 51 and the surface of the first interlayer insulating film 1. Here, the exposed surface of the first wiring 51 indicates a surface of the surface of the first wiring 51 that is not in contact with the first interlayer insulating film 1.

尚、段差1aの大きさは、使用する半導体プロセスや、第1配線51と低酸素不足度層22との間に形成される層の厚さや数等に応じて、適切に設定する。第1配線51は、本実施の形態1では、銅(Cu)である場合を想定して説明するが、アルミ(Al)や、アルミ合金(Al−Cu合金、Ti−Al−N合金等)等の配線材料で構成されていても良い。尚、本実施の形態1では、第1配線51が、第1層間絶縁膜1の内部に一部が埋没するように形成されている場合を想定して説明したが、これに限るものではなく、第1層間絶縁膜1の内部に埋没する部分を有さない状態で、上部に形成しても良い。   The size of the step 1a is appropriately set according to the semiconductor process to be used and the thickness and number of layers formed between the first wiring 51 and the low oxygen deficiency layer 22. In the first embodiment, the first wiring 51 will be described on the assumption that it is copper (Cu), but aluminum (Al) or an aluminum alloy (Al—Cu alloy, Ti—Al—N alloy, etc.) is used. It may be composed of a wiring material such as. In the first embodiment, the case where the first wiring 51 is formed so as to be partially buried inside the first interlayer insulating film 1 has been described. However, the present invention is not limited to this. Alternatively, the first interlayer insulating film 1 may be formed on the upper portion without having a portion buried therein.

本実施の形態1の抵抗変化素子70は、第1電極11(本実施の形態1では下部電極に相当)、高酸素不足度層21、低酸素不足度層22および第2電極12(本実施の形態1では上部電極に相当)をこの順に積層して形成されている(積層構造)。抵抗変化素子70は、平面視における形状において、一辺が200〜500[nm]の四角形状であり、上述した第1配線51の露出面と第1層間絶縁膜1の表面との境界に形成された段差1aを跨いで形成されている。   The resistance change element 70 according to the first embodiment includes a first electrode 11 (corresponding to a lower electrode in the first embodiment), a high oxygen deficiency layer 21, a low oxygen deficiency layer 22, and a second electrode 12 (this embodiment). (Corresponding to the upper electrode in the first embodiment) is laminated in this order (laminated structure). The resistance change element 70 has a square shape with a side of 200 to 500 [nm] in a plan view, and is formed at the boundary between the exposed surface of the first wiring 51 and the surface of the first interlayer insulating film 1 described above. It is formed across the step 1a.

尚、本実施の形態1では、抵抗変化素子70の平面視における形状が、正方形である場合について説明するが、これに限るものではない。抵抗変化素子70の平面視における形状は、角が丸まった正方形、長方形、角が丸まった長方形、楕円、六角形等、任意である。   In the first embodiment, the case where the shape of the resistance change element 70 in plan view is a square will be described, but the present invention is not limited to this. The shape of the resistance change element 70 in a plan view is arbitrary, such as a square having a rounded corner, a rectangle, a rectangle having a rounded corner, an ellipse, or a hexagon.

より詳細には、第1電極11は、第1配線51の露出面と第1層間絶縁膜1の表面との境界に形成された段差1aを跨いで形成されており、当該段差1aに応じた形状の段差部を有している。   More specifically, the first electrode 11 is formed across the step 1a formed at the boundary between the exposed surface of the first wiring 51 and the surface of the first interlayer insulating film 1, and according to the step 1a. It has a stepped part with a shape.

図1A、図1Bでは、第1配線51の平面視における露出面の形状が、直線形状である。抵抗変化素子70は、平面視において第1配線51の直線形状が含まれるように、且つ、低酸素不足度層22の段差部22aに当該直線形状を反映した部分が含まれるように、配置されている。すなわち、低酸素不足度層22の断面視における段差部22aは、平面視において直線形状となっている。   In FIG. 1A and FIG. 1B, the shape of the exposed surface of the first wiring 51 in a plan view is a linear shape. The resistance change element 70 is arranged so that the linear shape of the first wiring 51 is included in a plan view and the step portion 22a of the low oxygen deficiency layer 22 includes a portion reflecting the linear shape. ing. That is, the step portion 22a in the cross-sectional view of the low oxygen deficiency layer 22 has a linear shape in the plan view.

また、第1電極11は、膜厚が5〜100[nm]であり、後述する第2電極12を構成する第2電極材料より標準電極電位が低い第1電極材料で構成される。第1電極材料は、本実施の形態1では、タンタル窒化物(TaN)を想定している。尚、第1電極材料は、本実施の形態1では、タンタル窒化物を想定しているが、タンタル窒化物に限られるものではない。第1電極材料は、例えば、銅(Cu)、チタン(Ti)、タングステン(W)、タンタル(Ta)およびその窒化物から選ばれる少なくとも1種を含む金属が好ましい。   The first electrode 11 has a film thickness of 5 to 100 [nm] and is composed of a first electrode material having a standard electrode potential lower than that of a second electrode material constituting the second electrode 12 described later. In the first embodiment, the first electrode material is assumed to be tantalum nitride (TaN). In the first embodiment, the first electrode material is assumed to be tantalum nitride, but is not limited to tantalum nitride. The first electrode material is preferably a metal containing at least one selected from, for example, copper (Cu), titanium (Ti), tungsten (W), tantalum (Ta), and nitrides thereof.

高酸素不足度層21は、第1電極11上に形成され、第1電極11が有する段差部の形状に応じた段差部を有している。また、高酸素不足度層21は、膜厚が20〜100[nm]であり、タンタル酸化物(TaO、xはタンタル(Ta)の原子数を1としたときの酸素(O)の原子数、好ましくは0<x<2.5)を主成分とした酸素不足型の第1遷移金属酸化物で構成されている。 The high oxygen deficiency layer 21 is formed on the first electrode 11 and has a stepped portion corresponding to the shape of the stepped portion of the first electrode 11. The high oxygen deficiency layer 21 has a film thickness of 20 to 100 [nm], and is a tantalum oxide (TaO x , where x is an oxygen (O) atom when the number of tantalum (Ta) atoms is 1. It is composed of an oxygen-deficient first transition metal oxide whose main component is a number, preferably 0 <x <2.5.

低酸素不足度層22は、高酸素不足度層21の上に形成され、高酸素不足度層21が有する段差部の形状に応じた段差部22aを有している。即ち、低酸素不足度層22の段差部22aは、第1配線51の露出面と第1層間絶縁膜1の表面との境界に形成された段差1aに応じた形状を備えている。低酸素不足度層22は、初期ブレークを容易にするために、膜厚を1〜10[nm]にすることが好ましい。また、低酸素不足度層22は、タンタル酸化物(TaO、yはタンタル(Ta)の原子数を1としたときの酸素(O)の原子数、好ましくはx<y)を主成分とした酸素不足型の第2遷移金属酸化物で構成されている。 The low oxygen deficiency layer 22 is formed on the high oxygen deficiency layer 21 and has a step portion 22 a corresponding to the shape of the step portion of the high oxygen deficiency layer 21. That is, the step portion 22 a of the low oxygen deficiency layer 22 has a shape corresponding to the step 1 a formed at the boundary between the exposed surface of the first wiring 51 and the surface of the first interlayer insulating film 1. The low oxygen deficiency layer 22 preferably has a thickness of 1 to 10 [nm] in order to facilitate an initial break. The low oxygen deficiency layer 22 is mainly composed of tantalum oxide (TaO y , y is the number of oxygen (O) atoms when the number of tantalum (Ta) atoms is 1, preferably x <y). The oxygen-deficient second transition metal oxide.

ここで、高酸素不足度層21を形成する第1遷移金属酸化物の酸素含有率は、低酸素不足度層22を形成する第2遷移金属酸化物の酸素含有率より低い。抵抗変化素子として安定した動作を実現するためには、TaOが0.8≦x≦1.9を満たし、TaOが2.1≦yを満たすことがより好ましい。低酸素不足度層22としてTaを用いても良い。Taは絶縁体である。 Here, the oxygen content of the first transition metal oxide forming the high oxygen deficiency layer 21 is lower than the oxygen content of the second transition metal oxide forming the low oxygen deficiency layer 22. In order to realize a stable operation as a variable resistance element, it is more preferable that TaO x satisfies 0.8 ≦ x ≦ 1.9 and TaO y satisfies 2.1 ≦ y. Ta 2 O 5 may be used as the low oxygen deficiency layer 22. Ta 2 O 5 is an insulator.

第2電極12は、膜厚が5〜100[nm]であり、高酸素不足度層21および低酸素不足度層22を構成する金属より標準電極電位が高い材料で構成される。第2電極12の電極材料としては、例えば、白金(Pt)やイリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)等の貴金属を用いることが好ましいが、これらの混合物であってもよい。尚、第2電極12は、本実施形態では、低酸素不足度層22の段差部22aに応じた形状の段差部が形成されているが、表面を平坦化しても良い。   The second electrode 12 has a thickness of 5 to 100 [nm] and is made of a material having a higher standard electrode potential than the metal constituting the high oxygen deficiency layer 21 and the low oxygen deficiency layer 22. As the electrode material of the second electrode 12, for example, a noble metal such as platinum (Pt), iridium (Ir), palladium (Pd) is preferably used, but a mixture thereof may be used. In the present embodiment, the second electrode 12 has a stepped portion having a shape corresponding to the stepped portion 22a of the low oxygen deficiency layer 22, but the surface may be flattened.

尚、第1電極11、第2電極12、高酸素不足度層21および低酸素不足度層22が上記の標準電極電位の関係を満たすことにより、第2電極12近傍の高酸素不足度層21および低酸素不足度層22において、抵抗変化現象を選択的に発現させることができる。   The first electrode 11, the second electrode 12, the high oxygen deficiency layer 21, and the low oxygen deficiency layer 22 satisfy the above standard electrode potential relationship, whereby the high oxygen deficiency layer 21 in the vicinity of the second electrode 12. In addition, the resistance change phenomenon can be selectively expressed in the low oxygen deficiency layer 22.

第2層間絶縁膜2は、本実施の形態1では、シリコン酸化物(SiO)、特に、プラズマTEOS膜を主成分とする材料構成されている。尚、第2層間絶縁膜2の材料は、第1層間絶縁膜1と同様に、シリコン酸化物(SiO)に限られるものではなく、フッ素含有酸化物(例えば、FSG)やlow−k材料等、配線間の寄生容量が低減できる絶縁材料が好ましい。 In the first embodiment, the second interlayer insulating film 2 is made of a material composed mainly of silicon oxide (SiO 2 ), particularly a plasma TEOS film. The material of the second interlayer insulating film 2 is not limited to silicon oxide (SiO 2 ), as with the first interlayer insulating film 1, but is a fluorine-containing oxide (for example, FSG) or a low-k material. For example, an insulating material that can reduce the parasitic capacitance between the wirings is preferable.

プラグ40は、直径50〜300[nm]の円柱状に形成され、タングステン(W)を主成分とした金属等のプラグ材料で構成される。より具体的には、プラグ40は、本実施の形態1では、第2層間絶縁膜2に接し、密着層、拡散バリアとして機能するTiN/Ti層と、タングステンからなる主成分膜との2層で構成されている。   The plug 40 is formed in a cylindrical shape with a diameter of 50 to 300 [nm], and is made of a plug material such as a metal whose main component is tungsten (W). More specifically, in the first embodiment, the plug 40 is in contact with the second interlayer insulating film 2 and has two layers of a TiN / Ti layer functioning as an adhesion layer and a diffusion barrier, and a main component film made of tungsten. It consists of

第2配線52は、本実施の形態1では、銅(Cu)である場合を想定して説明するが、アルミ(Al)や、アルミ合金(Al−Cu合金、Ti−Al−N合金等)等の配線材料で構成されていても良い。   In the first embodiment, the second wiring 52 is described on the assumption that it is copper (Cu), but aluminum (Al) or an aluminum alloy (Al—Cu alloy, Ti—Al—N alloy or the like) is used. It may be composed of a wiring material such as.

かかる構成によれば、低酸素不足度層22に、第1配線51の露出面と第1層間絶縁膜1の表面との境界に形成された段差1aに応じた形状の段差部22aが形成されているので、段差部22aを起点にして、低い電圧でも初期ブレークさせることができる。また、段差部22aの形状は、第1配線51の露出面と第1層間絶縁膜1の表面との境界に形成された段差1aに応じた形状となることから、意図的に制御して形成することが可能になる。これによって、低酸素不足度層22の段差部22aの形状を安定させることができ、初期ブレーク電圧の素子間ばらつきも抑制可能になる。以上より、初期ブレーク電圧の低電圧化と素子間のばらつきの抑制を両立することができ、メモリの微細化・大容量化が可能になる。   According to such a configuration, the step portion 22 a having a shape corresponding to the step 1 a formed at the boundary between the exposed surface of the first wiring 51 and the surface of the first interlayer insulating film 1 is formed in the low oxygen deficiency layer 22. Therefore, the initial break can be made even at a low voltage starting from the stepped portion 22a. Further, the shape of the stepped portion 22a is a shape corresponding to the stepped portion 1a formed at the boundary between the exposed surface of the first wiring 51 and the surface of the first interlayer insulating film 1, and therefore is formed with intentional control. It becomes possible to do. Thereby, the shape of the stepped portion 22a of the low oxygen deficiency layer 22 can be stabilized, and variations in the initial break voltage between elements can be suppressed. As described above, it is possible to achieve both the reduction of the initial break voltage and the suppression of the variation between the elements, and the miniaturization and the capacity increase of the memory can be realized.

(実施の形態1に係る半導体記憶装置の製造方法)
次に、実施の形態1に係る半導体記憶装置90の製造方法について説明する。ここで、図2A〜図2Gは、図1に示す半導体記憶装置90の製造方法を示す模式的な断面図である。
(Method for Manufacturing Semiconductor Memory Device According to Embodiment 1)
Next, a method for manufacturing the semiconductor memory device 90 according to the first embodiment will be described. 2A to 2G are schematic cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the semiconductor memory device 90 shown in FIG.

先ず、図2Aに示すように、トランジスタや下層配線などが形成されている基板S上に、第1層間絶縁膜1および第1配線51を形成する。   First, as shown in FIG. 2A, a first interlayer insulating film 1 and a first wiring 51 are formed on a substrate S on which transistors, lower layer wirings, and the like are formed.

具体的には、本実施の形態1では、先ず、基板S上に、CVD法(ChemicalVapor Deposition)により、TEOS(オルトケイ酸テトラエチル)を原料としてシリコン酸化膜を、500〜1000[nm]の厚さに堆積させて、第1層間絶縁膜1を形成する(第1工程)。   Specifically, in the first embodiment, first, a silicon oxide film having a thickness of 500 to 1000 [nm] is formed on a substrate S by a CVD method (Chemical Vapor Deposition) using TEOS (tetraethyl orthosilicate) as a raw material. To form a first interlayer insulating film 1 (first step).

引き続き、銅(Cu)を配線材料として用い、一般的なCuダマシン法により、第1層間絶縁膜1内に第1配線51を埋め込み形成する(第2工程)。ここでは、Cu膜厚は200[nm]、配線幅は約0.5[μm]とした。   Subsequently, using copper (Cu) as a wiring material, the first wiring 51 is embedded and formed in the first interlayer insulating film 1 by a general Cu damascene method (second step). Here, the Cu film thickness was 200 [nm], and the wiring width was about 0.5 [μm].

次に、図2Bに示すように、第1層間絶縁膜1の表面を選択的にエッチングすることで、第1配線51の表面が凸型に第1層間絶縁膜1の表面から突き出している形状を形成する。これにより、第1配線51の露出面と第1層間絶縁膜1の表面との境界において、5〜100[nm]の段差1aが形成される。第1層間絶縁膜1の表面の選択的なエッチングには、一般的なドライエッチング法を用いた。エッチングガスとしては、フッ素系ガス(CHFやCF等)を用いることができる。 Next, as shown in FIG. 2B, the surface of the first interlayer insulating film 1 is selectively etched so that the surface of the first wiring 51 protrudes from the surface of the first interlayer insulating film 1 in a convex shape. Form. As a result, a step 1 a of 5 to 100 [nm] is formed at the boundary between the exposed surface of the first wiring 51 and the surface of the first interlayer insulating film 1. A general dry etching method was used for the selective etching of the surface of the first interlayer insulating film 1. As the etching gas, a fluorine-based gas (CHF 3 , CF 4, or the like) can be used.

尚、本実施の形態1では、Cuダマシン法及びエッチングにより第1配線51を埋め込み形成したが、これに限るものではない。例えば、埋め込み形成せずに、スパッタ法により、配線材料を堆積し、所望のマスクとドライエッチングとを用いてパターニングすることにより、第1配線51を形成するように構成しても良い。   In the first embodiment, the first wiring 51 is embedded by the Cu damascene method and etching. However, the present invention is not limited to this. For example, the first wiring 51 may be formed by depositing a wiring material by a sputtering method and performing patterning using a desired mask and dry etching without forming the buried wiring.

次に、図2Cに示すように、ウェハ表面全体を覆うように、第1電極膜11’、高酸素不足度膜21’、低酸素不足度膜22’および第2電極膜12’をこの順に堆積させる。   Next, as shown in FIG. 2C, the first electrode film 11 ′, the high oxygen deficiency film 21 ′, the low oxygen deficiency film 22 ′, and the second electrode film 12 ′ are arranged in this order so as to cover the entire wafer surface. Deposit.

より詳細には、スパッタ法により、例えば、タンタル窒化物(TaN)を、ウェハ平面全体を覆うように、且つ、5〜100[nm]の厚さ、好適には、30[nm]に堆積して、第1電極膜11’を形成する(第3工程)。尚、ここでは、第1電極材料層105Mの堆積方法として、スパッタ法を用いて説明したが、CVD法やALD法(AtomicLayer Deposition)を用いても良い。   More specifically, for example, tantalum nitride (TaN) is deposited by sputtering so as to cover the entire wafer plane and to have a thickness of 5 to 100 [nm], preferably 30 [nm]. Then, the first electrode film 11 ′ is formed (third step). Note that although the sputtering method has been described here as the method for depositing the first electrode material layer 105M, a CVD method or an ALD method (Atomic Layer Deposition) may be used.

引き続き、スパッタリングにより、高酸素不足度膜21’および低酸素不足度膜22’をこの順に形成する(第4工程)。ここでは、低酸素不足度膜22’の材料である第2遷移金属酸化物および高酸素不足度膜21’の材料である第1遷移金属酸化物が、酸素不足型のタンタル酸化物である場合について説明する。   Subsequently, a high oxygen deficiency film 21 'and a low oxygen deficiency film 22' are formed in this order by sputtering (fourth step). Here, the second transition metal oxide that is the material of the low oxygen deficiency film 22 ′ and the first transition metal oxide that is the material of the high oxygen deficiency film 21 ′ are oxygen deficient tantalum oxide. Will be described.

ここでは、タンタルターゲットをアルゴンと酸素ガス雰囲気中でスパッタリングする、いわゆる、反応性スパッタ法で高酸素不足度膜21’を形成した。その酸素含有率としては、50〜65[atm%]、その抵抗率は2〜50m[Ωcm]、膜厚は50[nm]である。   Here, the high oxygen deficiency film 21 ′ is formed by a so-called reactive sputtering method in which a tantalum target is sputtered in an argon and oxygen gas atmosphere. The oxygen content is 50 to 65 [atm%], the resistivity is 2 to 50 m [Ωcm], and the film thickness is 50 [nm].

さらに、タンタルターゲットを酸素ガス雰囲気中でスパッタリングする反応性スパッタ法で低酸素不足度膜22’を形成した。その酸素含有率は、67〜71[atm%]、その抵抗率は10m[Ωcm]以上、膜厚は6[nm]である。ここでは、反応性スパッタを用いて形成したが、タンタル酸化物ターゲットを酸素ガス雰囲気中でスパッタリングする反応性スパッタ法を用いてもよいし、酸素を含む雰囲気中でプラズマ酸化してもよい。 Further, a low oxygen deficiency film 22 ′ was formed by a reactive sputtering method in which a tantalum target was sputtered in an oxygen gas atmosphere. The oxygen content is 67 to 71 [atm%], the resistivity is 10 7 m [Ωcm] or more, and the film thickness is 6 [nm]. Here, although formed by reactive sputtering, a reactive sputtering method of sputtering a tantalum oxide target in an oxygen gas atmosphere may be used, or plasma oxidation may be performed in an atmosphere containing oxygen.

引き続き、スパッタ法により、第2電極材料としてのイリジウム(Ir)を50[nm]堆積して、第2電極膜12’を形成する(第5工程)。尚、第2電極材料としてのイリジウム(Ir)の標準電極電位は、第1電極材料としての窒化タンタル(TaN)の標準電極電位より大きい値となっている。   Subsequently, iridium (Ir) as a second electrode material is deposited by 50 [nm] by sputtering to form a second electrode film 12 '(fifth step). Note that the standard electrode potential of iridium (Ir) as the second electrode material is larger than the standard electrode potential of tantalum nitride (TaN) as the first electrode material.

次に、図2Dに示すように、第1電極膜11’、高酸素不足度膜21’、低酸素不足度膜22’および第2電極膜12’を、低酸素不足度層22に段差部22aが含まれるように、露光プロセスを用いてマスキングしてエッチングすることにより、第1電極11、高酸素不足度層21、低酸素不足度層22および第2電極12を形成する(第6工程)。これにより抵抗変化素子70を形成する。尚、本実施の形態1では、抵抗変化素子70の平面視における寸法および形状が、0.5[μm]×0.5[μm]の正方形となるように形成した。   Next, as shown in FIG. 2D, the first electrode film 11 ′, the high oxygen deficiency film 21 ′, the low oxygen deficiency film 22 ′, and the second electrode film 12 ′ are stepped into the low oxygen deficiency layer 22. The first electrode 11, the high oxygen deficiency layer 21, the low oxygen deficiency layer 22 and the second electrode 12 are formed by masking and etching using an exposure process so that 22a is included (sixth step) ). Thereby, the resistance change element 70 is formed. In the first embodiment, the variable resistance element 70 is formed such that the size and shape in plan view are 0.5 [μm] × 0.5 [μm] square.

また、抵抗変化素子70の平面視における位置は、図2Cに示す第1電極膜11’の膜厚をT1、高酸素不足度膜21’の膜厚をT2、低酸素不足度膜22’の膜厚をT3とすると、平面視における段差部22aの第2電極12に接する表面の位置は、段差1aからおおよそ(T1+T2+T3)だけ横側(図2Cでは、第1層間絶縁膜1の表面と第1配線51の露出面のうち、表面が低い側。ここでは、第1層間絶縁膜1側)に離れた位置となる。また、一般的な技術水準におけるリソグラフィーでは、レジストマスク形成時に±50[nm]程度の位置ずれを考慮する必要がある。従って、低酸素不足度層22に段差部22aを含むように抵抗変化素子70を形成するためには、平面視において、段差1aと、抵抗変化素子70の段差1aから第1層間絶縁膜1側へ向かう方向の端部との間の寸法d1は、(T1+T2+T3+50)[nm]より大きくする必要がある。また、平面視において、段差1aと、抵抗変化素子70の段差1aから第1配線51側へ向かう方向の端部との間の寸法d2は、リソグラフィー精度やエッチング精度などのプロセス精度を総合的に考慮して、第1電極11と第1配線51が電気的に接続される寸法になっていればよい。尚、本実施の形態1では、図1A及び図1Bに示すように、抵抗変化素子70の平面視における中心が、段差1aに近接あるいは重なるように、寸法d1及び寸法d2を設定した。   Further, the position of the resistance change element 70 in plan view is that the film thickness of the first electrode film 11 ′ shown in FIG. 2C is T1, the film thickness of the high oxygen deficiency film 21 ′ is T2, and the film thickness of the low oxygen deficiency film 22 ′. When the film thickness is T3, the position of the surface of the step portion 22a in contact with the second electrode 12 in a plan view is approximately (T1 + T2 + T3) from the step 1a on the lateral side (in FIG. 2C, the surface of the first interlayer insulating film 1 and the first surface Of the exposed surface of one wiring 51, the surface is located on the lower side, here the first interlayer insulating film 1 side). Further, in lithography in a general technical level, it is necessary to consider a positional deviation of about ± 50 [nm] when forming a resist mask. Therefore, in order to form the resistance change element 70 so that the low oxygen deficiency layer 22 includes the step portion 22a, the step 1a and the step 1a of the resistance change element 70 from the step 1a to the first interlayer insulating film 1 side in plan view The dimension d1 between the end portion in the direction toward the head needs to be larger than (T1 + T2 + T3 + 50) [nm]. Further, in plan view, the dimension d2 between the step 1a and the end of the resistance change element 70 in the direction from the step 1a toward the first wiring 51 side comprehensively improves process accuracy such as lithography accuracy and etching accuracy. In consideration, the first electrode 11 and the first wiring 51 need only be dimensioned to be electrically connected. In the first embodiment, as shown in FIGS. 1A and 1B, the dimension d1 and the dimension d2 are set so that the center of the resistance change element 70 in a plan view is close to or overlaps the step 1a.

次に、図2Eに示すように、抵抗変化素子70および第1配線51の露出面を被覆するように絶縁層を形成した後、当該絶縁層の表面を平坦化することで、第2層間絶縁膜2を形成する。より詳細には、抵抗変化素子70および第1配線51上に、CVD法により、TEOSを原料としてシリコン酸化膜を500〜1000[nm]の厚さに堆積させ、化学的機械研磨法(CMP法)により表面を平坦化する。   Next, as shown in FIG. 2E, an insulating layer is formed so as to cover the exposed surfaces of the resistance change element 70 and the first wiring 51, and then the surface of the insulating layer is flattened to obtain the second interlayer insulation. A film 2 is formed. More specifically, a silicon oxide film is deposited on the resistance change element 70 and the first wiring 51 by a CVD method to a thickness of 500 to 1000 [nm] using TEOS as a raw material, and a chemical mechanical polishing method (CMP method) is performed. To flatten the surface.

次に、図2Fに示すように、所望のマスクを用いて第2層間絶縁膜2パターニングして、第2層間絶縁膜2を貫通して第2電極12に到達するコンタクトホール40aを形成する。コンタクトホール40aは、直径50〜300[nm]の円柱状に形成される。   Next, as shown in FIG. 2F, the second interlayer insulating film 2 is patterned using a desired mask to form a contact hole 40a that penetrates the second interlayer insulating film 2 and reaches the second electrode 12. The contact hole 40a is formed in a cylindrical shape having a diameter of 50 to 300 [nm].

次に、コンタクトホール40a内に、コンタクトプラグ40を形成する。具体的には、まず、コンタクトホール40a内および第2層間絶縁膜2の上に、TiN/Ti層をスパッタ法により5〜30[nm]の厚さに成膜し、TiN/Ti層の上に、主成分となるタングステンをCVD法により200〜400[nm]の厚さに成膜する。更に、CMP法を用いてウェハ全面を平坦化研磨し、第2層間絶縁膜2上の不要なタングステンおよびTiN/Ti層を除去する。これにより、コンタクトホール40aの内部にプラグ40を形成する。   Next, the contact plug 40 is formed in the contact hole 40a. Specifically, first, a TiN / Ti layer is formed in a thickness of 5 to 30 [nm] by sputtering in the contact hole 40a and on the second interlayer insulating film 2, and the TiN / Ti layer is formed on the TiN / Ti layer. In addition, tungsten as a main component is formed to a thickness of 200 to 400 [nm] by CVD. Further, the entire surface of the wafer is planarized and polished by using the CMP method, and unnecessary tungsten and TiN / Ti layers on the second interlayer insulating film 2 are removed. Thereby, the plug 40 is formed inside the contact hole 40a.

次に図2Gに示すように、第2配線52を形成するが、これは図2Aで示した第1配線51と同様に、一般的なCuダマシン工程を用いて形成する。   Next, as shown in FIG. 2G, the second wiring 52 is formed, which is formed by using a general Cu damascene process in the same manner as the first wiring 51 shown in FIG. 2A.

かかる製造方法とすることにより、第1配線51と第1層間絶縁膜1とで形成した段差の形状を、低酸素不足度層22に反映させて、段差部22aの形状を安定して形勢することが可能になる。更に、第1配線51と第1層間絶縁膜1との境界の段差1aは、例えば、選択的エッチングにより形成できるため、必ずしも非常に高価なフォトマスクの追加等を行う必要がなくなり、追加工数も少ないことから、製造時におけるコスト増大を防止可能になる。更に、上述した製造方法によれば、低酸素不足度層22に段差部22aを形成することにより、初期ブレーク電圧を低減でき、且つ、段差部22aを安定した形状に作成できるので、素子間ばらつきを抑えることができる。これにより、メモリの微細化・大容量化を実現することができる。   By adopting such a manufacturing method, the shape of the step formed by the first wiring 51 and the first interlayer insulating film 1 is reflected in the low oxygen deficiency layer 22 so that the shape of the stepped portion 22a is stably formed. It becomes possible. Further, the step 1a at the boundary between the first wiring 51 and the first interlayer insulating film 1 can be formed by, for example, selective etching, so that it is not always necessary to add a very expensive photomask, and additional man-hours are also increased. Since the amount is small, it is possible to prevent an increase in cost during manufacturing. Furthermore, according to the manufacturing method described above, by forming the step portion 22a in the low oxygen deficiency layer 22, the initial break voltage can be reduced and the step portion 22a can be formed in a stable shape. Can be suppressed. Thereby, miniaturization and large capacity of the memory can be realized.

(本実施の形態1の変形例)
次に、半導体記憶装置90の変形例について、図3A〜図3Cを基に説明する。
(Modification of the first embodiment)
Next, a modified example of the semiconductor memory device 90 will be described with reference to FIGS. 3A to 3C.

尚、上述した実施の形態1では、第1配線51が、平面視における形状が直線形状(長方形状)に形成され、抵抗変化素子70が、第1配線51の長辺の一方と第1層間絶縁膜1との境界の一部を跨ぐように形成されている場合について説明したが、以下の変形例では、第1配線51の形状、および、第1配線51と抵抗変化素子70との位置関係が異なる場合について説明する。   In the first embodiment described above, the first wiring 51 is formed in a linear shape (rectangular shape) in plan view, and the resistance change element 70 is connected to one of the long sides of the first wiring 51 and the first interlayer. The case where it is formed so as to straddle part of the boundary with the insulating film 1 has been described. However, in the following modification, the shape of the first wiring 51 and the position of the first wiring 51 and the resistance change element 70 are described. A case where the relationship is different will be described.

ここで、図3A〜図3Cは、平面視における第1配線51の形状と抵抗変化素子70との位置関係の他の例を模式的に示した図である。   Here, FIGS. 3A to 3C are diagrams schematically illustrating another example of the positional relationship between the shape of the first wiring 51 and the resistance change element 70 in plan view.

図3Aでは、第1配線51が単位セル毎に区切られ、平面視における露出面の形状が、長方形状となっている場合を示している。抵抗変化素子70は、平面視において第1配線51のいずれかの角と中心とが一致または近接し、且つ、低酸素不足度層22の段差部22aに当該角の形状を反映した部分が含まれるように、配置されている。   FIG. 3A shows a case where the first wiring 51 is divided for each unit cell and the shape of the exposed surface in a plan view is a rectangular shape. The resistance change element 70 includes a portion in which one of the corners and the center of the first wiring 51 coincides or is close to each other in a plan view, and the step 22a of the low oxygen deficiency layer 22 reflects the shape of the corner. It is arranged to be.

図3Bでは、第1配線51の平面視における露出面の形状が、直線形状であり、且つ、直線形状の一部に長方形状の凹部が形成されている場合を示している。抵抗変化素子70は、平面視において第1配線51の凹部の角が含まれるように、且つ、低酸素不足度層22の段差部22aに当該角の形状を反映した部分が含まれるように、配置されている。   FIG. 3B shows a case where the shape of the exposed surface in the plan view of the first wiring 51 is a linear shape, and a rectangular recess is formed in a part of the linear shape. The resistance change element 70 includes the corners of the recesses of the first wiring 51 in plan view, and the step portion 22a of the low oxygen deficiency layer 22 includes a portion reflecting the shape of the corners. Has been placed.

図3Cでは、第1配線51の平面視における露出面の形状が、直線形状であり、且つ、直線形状の一部に長方形状の凸部が形成されている場合を示している。抵抗変化素子70は、平面視において第1配線51の凸部の角が含まれるように、且つ、低酸素不足度層22の段差部22aに当該角の形状を反映した部分が含まれるように、配置されている。   FIG. 3C shows a case where the shape of the exposed surface in the plan view of the first wiring 51 is a linear shape, and a rectangular convex portion is formed on a part of the linear shape. The variable resistance element 70 includes a corner of the convex portion of the first wiring 51 in a plan view, and includes a portion reflecting the shape of the corner in the step portion 22 a of the low oxygen deficiency layer 22. Have been placed.

上述した図3A〜図3Cのいずれにおいても、平面視において、段差1aが角を有し、低酸素不足度層22の段差部22aに当該角の形状を反映した部分(低酸素不足度層22の角部)が形成される。すなわち、低酸素不足度層22の断面視における段差部22aは、平面視において曲部を有している。   In any of FIGS. 3A to 3C described above, the step 1a has a corner in a plan view, and the step portion 22a of the low oxygen deficiency layer 22 reflects the shape of the corner (the low oxygen deficiency layer 22). Corners) are formed. That is, the step portion 22a in the cross-sectional view of the low oxygen deficiency layer 22 has a curved portion in the plan view.

低酸素不足度層22の角部は、電界が集中しやすいことから、初期ブレーク電圧の低電圧化を図ることができる。   Since the electric field tends to concentrate at the corners of the low oxygen deficiency layer 22, the initial break voltage can be lowered.

(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る半導体記憶装置、及び、本発明の実施の形態2に係る半導体記憶装置の製造方法について、図4A、図4Bを基に説明する。
(Embodiment 2)
A semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention and a method for manufacturing the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A and 4B.

本実施の形態2の半導体記憶装置91が、本実施の形態1の半導体記憶装置90と異なる点は、抵抗変化素子170を構成する第1電極111、高酸素不足度層121、低酸素不足度層122および第2電極112が、実施の形態1の半導体記憶装置90の抵抗変化素子70とは、順序が逆に積層されている点である。   The semiconductor memory device 91 of the second embodiment is different from the semiconductor memory device 90 of the first embodiment in that the first electrode 111, the high oxygen deficiency layer 121, and the low oxygen deficiency constituting the resistance change element 170 are different. The layer 122 and the second electrode 112 are stacked in the reverse order from the resistance change element 70 of the semiconductor memory device 90 of the first embodiment.

(実施の形態2に係る半導体記憶装置の構成)
先ず、本実施の形態2に係る半導体記憶装置91の構成について説明する。ここで、図4Aは、本発明の実施の形態2における半導体記憶装置91の模式的な平面図(上面視図)である。また、図4Bは、図4AのX−X’断面に対応する半導体記憶装置91の断面図である。図4A及び図4Bにおいて、図2A〜図2Gと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。これについては、以降の他の実施の形態においても同様である。
(Configuration of Semiconductor Memory Device According to Second Embodiment)
First, the configuration of the semiconductor memory device 91 according to the second embodiment will be described. Here, FIG. 4A is a schematic plan view (top view) of the semiconductor memory device 91 according to the second embodiment of the present invention. 4B is a cross-sectional view of the semiconductor memory device 91 corresponding to the XX ′ cross section of FIG. 4A. 4A and 4B, the same components as those in FIGS. 2A to 2G are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. The same applies to other embodiments described below.

図4A及び図4Bに示すように、半導体記憶装置91は、基板Sと、基板Sの上に配置された第1層間絶縁膜1と、第1層間絶縁膜1の上に形成された第1配線51と、第1層間絶縁膜1の表面と第1配線51の露出面との境界を跨いで形成され、第1配線51と電気的に接続された抵抗変化素子70と、第1配線51および抵抗変化素子70を被覆して形成された第2層間絶縁膜2と、第2層間絶縁膜2を貫通して抵抗変化素子70と電気的に接続するプラグ40と、第2層間絶縁膜2上に形成され、プラグ40と電気的に接続する第2配線52とを備えている。尚、本発明に係る半導体記憶装置は、実施の形態2では、実施の形態1と同様に、第1層間絶縁膜1、第1配線51及び抵抗変化素子70で構成される。即ち、基板S、プラグ40、第2層間絶縁膜2、第2配線52は本発明の必須構成ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明する。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the semiconductor memory device 91 includes a substrate S, a first interlayer insulating film 1 disposed on the substrate S, and a first layer formed on the first interlayer insulating film 1. The resistance change element 70 formed across the boundary between the wiring 51, the surface of the first interlayer insulating film 1 and the exposed surface of the first wiring 51, and electrically connected to the first wiring 51, and the first wiring 51 And the second interlayer insulating film 2 formed so as to cover the resistance change element 70, the plug 40 penetrating the second interlayer insulating film 2 and electrically connected to the resistance change element 70, and the second interlayer insulating film 2 A second wiring 52 formed on and electrically connected to the plug 40 is provided. In the second embodiment, the semiconductor memory device according to the present invention includes the first interlayer insulating film 1, the first wiring 51, and the resistance change element 70 as in the first embodiment. That is, the substrate S, the plug 40, the second interlayer insulating film 2, and the second wiring 52 are not essential components of the present invention, but will be described as constituting a more preferable form.

尚、第1層間絶縁膜1、第1配線51、段差1a、第2層間絶縁膜2、プラグ40及び第2配線52の形状、材料及び配置等は、上記実施の形態1と同じである。   The shapes, materials, arrangements, and the like of the first interlayer insulating film 1, the first wiring 51, the step 1a, the second interlayer insulating film 2, the plug 40, and the second wiring 52 are the same as those in the first embodiment.

実施の形態2における抵抗変化素子170は、第2電極112(本実施の形態2では下部電極に相当)、低酸素不足度層122、高酸素不足度層121および第1電極111(本実施の形態2では上部電極に相当)をこの順に積層して形成されている。抵抗変化素子170は、実施の形態1の抵抗変化素子70と同様に、平面視における形状が、200〜500[nm□]であり、第1配線51の露出面と第1層間絶縁膜1の表面との境界に形成された段差1aを跨いで形成されている。   The resistance change element 170 in the second embodiment includes a second electrode 112 (corresponding to a lower electrode in the second embodiment), a low oxygen deficiency layer 122, a high oxygen deficiency layer 121, and a first electrode 111 (in this embodiment). In the second embodiment, the upper electrode) is stacked in this order. Like the resistance change element 70 of the first embodiment, the resistance change element 170 has a shape in a plan view of 200 to 500 [nm □], and the exposed surface of the first wiring 51 and the first interlayer insulating film 1 It is formed across the step 1a formed at the boundary with the surface.

また、本実施の形態2の第2電極112、低酸素不足度層122、高酸素不足度層121および第1電極111は、段差1aの影響を受けて形成される段差部の位置が、積層順序に応じて異なるものの、その膜厚及び材料は、実施の形態1の第2電極12、低酸素不足度層22、高酸素不足度層21および第1電極11と同じである。   In addition, the second electrode 112, the low oxygen deficiency layer 122, the high oxygen deficiency layer 121, and the first electrode 111 according to the second embodiment are stacked at the position of the step portion formed under the influence of the step 1a. Although different depending on the order, the film thickness and material are the same as those of the second electrode 12, the low oxygen deficiency layer 22, the high oxygen deficiency layer 21, and the first electrode 11 of the first embodiment.

半導体記憶装置91において、低酸素不足度層122の段差部122aは、第2電極112のみを介して、段差1aの近くに形成される。このため、低酸素不足度層122の段差部122aは、段差1aの形状を精度良く反映した状態で形成できる。また、段差1aと段差部122aとの間の距離も短くでき、製造時における段差部122aの形成位置の制御がより容易になる。   In the semiconductor memory device 91, the step 122 a of the low oxygen deficiency layer 122 is formed near the step 1 a through only the second electrode 112. Therefore, the step 122a of the low oxygen deficiency layer 122 can be formed in a state that accurately reflects the shape of the step 1a. Further, the distance between the step 1a and the step 122a can be shortened, and the control of the formation position of the step 122a during manufacturing becomes easier.

(実施の形態2に係る半導体記憶装置の製造方法)
次に、実施の形態2に係る半導体記憶装置91の製造方法について説明する。尚、実施の形態1と同じ部分については、詳細な説明は適宜省略する。
(Method for Manufacturing Semiconductor Memory Device According to Second Embodiment)
Next, a method for manufacturing the semiconductor memory device 91 according to the second embodiment will be described. Detailed description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted as appropriate.

具体的には、先ず、第1層間絶縁膜1を形成する第1工程、第1層間絶縁膜1内に第1配線51を埋め込み形成する第2工程を実行する。尚、第1工程及び第2工程は、本実施の形態1における第1工程及び第2工程と同じである。   Specifically, first, a first step of forming the first interlayer insulating film 1 and a second step of embedding and forming the first wiring 51 in the first interlayer insulating film 1 are performed. The first step and the second step are the same as the first step and the second step in the first embodiment.

引き続き、ウェハ表面全体を覆うように、第2電極膜、低酸素不足度膜、高酸素不足度膜および第1電極膜をこの順に堆積させる。   Subsequently, a second electrode film, a low oxygen deficiency film, a high oxygen deficiency film, and a first electrode film are deposited in this order so as to cover the entire wafer surface.

より詳細には、スパッタ法により、第2電極材料としてのイリジウム(Ir)を50[nm]堆積して、第2電極膜を形成する(第3工程)。引き続き、スパッタリングにより、低酸素不足度膜および高酸素不足度膜をこの順に形成する(第4工程)。スパッタリング装置の設定は、実施の形態1と同じであるが、低酸素不足度膜および高酸素不足度膜の積層順が逆になっているため、酸素分圧比は、7[%]から1[%]に変化させる。更に、スパッタ法により、例えば、タンタル窒化物(TaN)を、ウェハ平面全体を覆うように、且つ、5〜100[nm]の厚さに堆積して、第1電極膜を形成する(第5工程)。   More specifically, iridium (Ir) as the second electrode material is deposited by 50 [nm] by sputtering to form a second electrode film (third step). Subsequently, a low oxygen deficiency film and a high oxygen deficiency film are formed in this order by sputtering (fourth step). The setting of the sputtering apparatus is the same as in the first embodiment, but the stacking order of the low oxygen deficiency film and the high oxygen deficiency film is reversed, so the oxygen partial pressure ratio is changed from 7 [%] to 1 [ %]. Furthermore, by sputtering, for example, tantalum nitride (TaN) is deposited to a thickness of 5 to 100 [nm] so as to cover the entire wafer plane to form a first electrode film (fifth). Process).

引き続き、第2電極膜、低酸素不足度膜、高酸素不足度膜および第1電極膜を、低酸素不足度層122に段差部122aが含まれるように、露光プロセスを用いてマスキングしてエッチングすることにより、第1電極111、高酸素不足度層121、低酸素不足度層122および第2電極112を形成して、抵抗変化素子170を形成する(第6工程)。尚、本実施の形態2では、実施の形態1と同様に、抵抗変化素子170の平面視における寸法および形状が、0.5[μm]×0.5[μm]の正方形となるように形成した。   Subsequently, the second electrode film, the low oxygen deficiency film, the high oxygen deficiency film, and the first electrode film are etched using an exposure process so that the low oxygen deficiency layer 122 includes the stepped portion 122a. Thus, the first electrode 111, the high oxygen deficiency layer 121, the low oxygen deficiency layer 122, and the second electrode 112 are formed, and the resistance change element 170 is formed (sixth step). In the second embodiment, similarly to the first embodiment, the variable resistance element 170 is formed such that the size and shape in plan view are 0.5 [μm] × 0.5 [μm] square. did.

抵抗変化素子170の平面視における位置は、第2電極膜の膜厚をT4、低酸素不足度膜の膜厚をT3とすると、平面視における段差部22aの第2電極112に接する表面の位置は、段差1aからおおよそ(T4+T3)だけ第1層間絶縁膜1側に離れた位置となる。また、一般的な技術水準におけるリソグラフィーの位置ずれを考慮すると、低酸素不足度層122に段差部122aを含むように抵抗変化素子170を形成するためには、平面視において、段差1aと、抵抗変化素子170の段差1aから第1層間絶縁膜1側へ向かう方向の端部との間の寸法d3は、(T4+T3+50)[nm]より大きくする必要がある。また、平面視において、段差1aと、抵抗変化素子170の段差1aから第1配線51側へ向かう方向の端部との間の寸法d4は、リソグラフィー精度やエッチング精度などのプロセス精度を総合的に考慮して、第2電極112と第1配線51が電気的に接続される寸法になっていればよい。尚、本実施の形態1では、図4A及び図4Bに示すように、抵抗変化素子170の平面視における中心が、段差1aに近接あるいは重なるように、寸法d3及び寸法d4を設定した。尚、本実施の形態における抵抗変化素子170の平面視における形状は、正方形に限定されない。   The position of the resistance change element 170 in plan view is the position of the surface in contact with the second electrode 112 of the stepped portion 22a in plan view, where T4 is the thickness of the second electrode film and T3 is the thickness of the low oxygen deficiency film. Is a position away from the step 1a to the first interlayer insulating film 1 side by approximately (T4 + T3). Further, in consideration of lithography misregistration in a general technical level, in order to form the resistance change element 170 so as to include the stepped portion 122a in the low oxygen deficiency layer 122, in the plan view, the step 1a and the resistance The dimension d3 between the step 1a of the change element 170 and the end portion in the direction toward the first interlayer insulating film 1 side needs to be larger than (T4 + T3 + 50) [nm]. In plan view, the dimension d4 between the step 1a and the end portion of the variable resistance element 170 in the direction from the step 1a toward the first wiring 51 side comprehensively improves process accuracy such as lithography accuracy and etching accuracy. In consideration, the second electrode 112 and the first wiring 51 need only be dimensioned to be electrically connected. In the first embodiment, as shown in FIGS. 4A and 4B, the dimension d3 and the dimension d4 are set so that the center of the resistance change element 170 in plan view is close to or overlaps the step 1a. Note that the shape of the variable resistance element 170 in the present embodiment in plan view is not limited to a square.

引き続き、第2層間絶縁膜2を形成する工程と、コンタクトプラグ40を形成する工程と、第2配線52を形成する工程とを実行する。尚、これらの工程は、上記実施の形態1と同じである。   Subsequently, a step of forming the second interlayer insulating film 2, a step of forming the contact plug 40, and a step of forming the second wiring 52 are executed. These steps are the same as those in the first embodiment.

尚、上述した実施の形態2においても、実施の形態1の変形例と同様に、第1配線51の平面視における露出面の形状が角を備える形状である場合には、当該角を含む位置に抵抗変化素子170を配置すれば、初期ブレーク電圧の更なる低電圧化を図ることが可能になる。   In the second embodiment described above, similarly to the modification of the first embodiment, when the shape of the exposed surface in the plan view of the first wiring 51 is a shape having corners, the position including the corner is included. If the variable resistance element 170 is disposed in the first break voltage, the initial break voltage can be further lowered.

(実施の形態3)
本発明の実施の形態2に係る半導体記憶装置、及び、本発明の実施の形態2に係る半導体記憶装置の製造方法について、図5A、図5B、図6A〜図6Eを基に説明する。
(Embodiment 3)
A semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention and a method for manufacturing the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A, 5B, and 6A to 6E.

本実施の形態3の半導体記憶装置92が、実施の形態1の半導体記憶装置90と及び実施の形態2の半導体記憶装置91と異なる点は、第1配線51と第1層間絶縁膜1の構成が異なる点である。より詳細には、実施の形態1の半導体記憶装置90及び実施の形態2の半導体記憶装置91では、第1配線51の表面が第1層間絶縁膜1の表面より高くなるように形成されていたが、本実施の形態3では、第1配線51の表面が第1層間絶縁膜1の表面より低くなるように形成されている。   The semiconductor memory device 92 according to the third embodiment is different from the semiconductor memory device 90 according to the first embodiment and the semiconductor memory device 91 according to the second embodiment in the configuration of the first wiring 51 and the first interlayer insulating film 1. Is a different point. More specifically, in the semiconductor memory device 90 of the first embodiment and the semiconductor memory device 91 of the second embodiment, the surface of the first wiring 51 is formed to be higher than the surface of the first interlayer insulating film 1. However, in the third embodiment, the surface of the first wiring 51 is formed to be lower than the surface of the first interlayer insulating film 1.

(実施の形態3に係る半導体記憶装置の構成)
先ず、本実施の形態3に係る半導体記憶装置92の構成について説明する。ここで、図5Aは、本発明の実施の形態3における半導体記憶装置92の模式的な平面図である。また、図5Bは、図5AのX−X’断面に対応する半導体記憶装置92の断面図である。
(Configuration of Semiconductor Memory Device According to Third Embodiment)
First, the configuration of the semiconductor memory device 92 according to the third embodiment will be described. Here, FIG. 5A is a schematic plan view of the semiconductor memory device 92 according to the third embodiment of the present invention. 5B is a cross-sectional view of the semiconductor memory device 92 corresponding to the XX ′ cross section of FIG. 5A.

図5A及び図5Bに示すように、半導体記憶装置92は、基板Sと、基板Sの上に配置された第1層間絶縁膜1と、表面の高さが第1層間絶縁膜1の表面より低くなるように形成された第1配線51と、第1層間絶縁膜1の表面と第1配線51の露出面との境界を跨いで形成され、第1配線51と電気的に接続された抵抗変化素子270と、第1配線51および抵抗変化素子270を被覆して形成された第2層間絶縁膜2と、第2層間絶縁膜2を貫通して抵抗変化素子270と電気的に接続するプラグ40と、第2層間絶縁膜2上に形成され、プラグ40と電気的に接続する第2配線52とを備えている。   As shown in FIGS. 5A and 5B, the semiconductor memory device 92 includes a substrate S, a first interlayer insulating film 1 disposed on the substrate S, and a surface height higher than that of the first interlayer insulating film 1. The first wiring 51 formed so as to be low, and a resistor formed across the boundary between the surface of the first interlayer insulating film 1 and the exposed surface of the first wiring 51 and electrically connected to the first wiring 51 The change element 270, the second interlayer insulating film 2 formed so as to cover the first wiring 51 and the resistance change element 270, and the plug that penetrates the second interlayer insulating film 2 and is electrically connected to the resistance change element 270. 40 and a second wiring 52 formed on the second interlayer insulating film 2 and electrically connected to the plug 40.

尚、本発明に係る半導体記憶装置は、実施の形態3では、実施の形態1及び実施の形態2と同様に、第1層間絶縁膜1、第1配線51及び抵抗変化素子270で構成される。即ち、基板S、プラグ40、第2層間絶縁膜2、第2配線52は本発明の必須構成ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明する。   In the third embodiment, the semiconductor memory device according to the present invention includes the first interlayer insulating film 1, the first wiring 51, and the resistance change element 270, as in the first and second embodiments. . That is, the substrate S, the plug 40, the second interlayer insulating film 2, and the second wiring 52 are not essential components of the present invention, but will be described as constituting a more preferable form.

尚、第2層間絶縁膜2、プラグ40及び第2配線52の形状、材料及び配置等は、上記実施の形態1及び実施の形態2と同じである。また、本実施の形態3では、抵抗変化素子270の構造(積層順)、膜厚、材料及び配置等は、上記実施の形態1の抵抗変化素子70と同じである場合を想定して説明するが、上記実施の形態2の抵抗変化素子170と同じであっても良い。   The shape, material, arrangement, and the like of the second interlayer insulating film 2, the plug 40, and the second wiring 52 are the same as those in the first and second embodiments. In the third embodiment, the structure (stacking order), film thickness, material, arrangement, and the like of the resistance change element 270 are assumed to be the same as those of the resistance change element 70 of the first embodiment. However, it may be the same as the resistance change element 170 of the second embodiment.

本実施の形態3の第1層間絶縁膜1は、第3層間絶縁膜3と第4層間絶縁膜4の2層で構成されている。第3層間絶縁膜3は、表面の高さが、第3層間絶縁膜3に埋め込み形成された第1配線51の表面と同じ高さとなっている。第4層間絶縁膜4は、第3層間絶縁膜3及び第1配線51の上に形成されており、第1配線51の一部表面を露出するように、開口部が設けられている。即ち、図5Bに示すように、第1配線51の一部は、第4層間絶縁膜4で被覆された状態となっている。ここで、第1配線51の露出面は、第1配線51の表面のうち、第3層間絶縁膜3および第4層間絶縁膜4に接していない面を指す。   The first interlayer insulating film 1 of the third embodiment is composed of two layers, a third interlayer insulating film 3 and a fourth interlayer insulating film 4. The surface of the third interlayer insulating film 3 has the same height as the surface of the first wiring 51 embedded in the third interlayer insulating film 3. The fourth interlayer insulating film 4 is formed on the third interlayer insulating film 3 and the first wiring 51, and an opening is provided so as to expose a part of the surface of the first wiring 51. That is, as shown in FIG. 5B, a part of the first wiring 51 is covered with the fourth interlayer insulating film 4. Here, the exposed surface of the first wiring 51 indicates a surface of the surface of the first wiring 51 that is not in contact with the third interlayer insulating film 3 and the fourth interlayer insulating film 4.

また、本実施の形態3では、第3層間絶縁膜3及び第4層間絶縁膜4は、実施の形態1及び実施の形態2の第1層間絶縁膜1と同様に、シリコン酸化物(SiO)、特に、プラズマTEOS膜を主成分とする材料構成されている。尚、第3層間絶縁膜3及び第4層間絶縁膜4の材料は、実施の形態1及び実施の形態2と同様に、シリコン酸化物(SiO)に限られるものではない。第3層間絶縁膜3及び第4層間絶縁膜4の材料は、例えば、フッ素含有酸化物(例えば、FSG)やlow−k材料等、配線間の寄生容量が低減できる絶縁材料が好ましい。 In the third embodiment, the third interlayer insulating film 3 and the fourth interlayer insulating film 4 are formed of silicon oxide (SiO 2 ) as in the first interlayer insulating film 1 of the first and second embodiments. In particular, the material is composed mainly of a plasma TEOS film. Note that the material of the third interlayer insulating film 3 and the fourth interlayer insulating film 4 is not limited to silicon oxide (SiO 2 ), as in the first and second embodiments. The material of the third interlayer insulating film 3 and the fourth interlayer insulating film 4 is preferably an insulating material that can reduce the parasitic capacitance between wirings, such as a fluorine-containing oxide (for example, FSG) or a low-k material.

かかる構成によれば、断面視における低酸素不足度層222の段差部222aが、平面視において、第1配線51の上に形成されるため、第1および第2の実施の形態で示した構成よりも、平面視における抵抗変化素子270と第1配線51とが接する領域の面積を大きくすることが可能となる。これにより、平面視における、第1配線51上にオーバーラップする抵抗変化素子270の面積を小さくすることができるようになり、大容量化を実現することが可能になる。   According to such a configuration, since the stepped portion 222a of the low oxygen deficiency layer 222 in the cross-sectional view is formed on the first wiring 51 in the plan view, the configuration shown in the first and second embodiments. The area of the region where the resistance change element 270 and the first wiring 51 are in contact with each other in plan view can be increased. As a result, the area of the resistance change element 270 that overlaps the first wiring 51 in plan view can be reduced, and a large capacity can be realized.

(実施の形態3に係る半導体記憶装置の製造方法)
次に、実施の形態3に係る半導体記憶装置92の製造方法について説明する。尚、実施の形態1と同じ部分については、詳細な説明は適宜省略する。ここで、図6A、図6B、図6Cの(a)、図6D〜図6Eは、図5A及び図5Bに示される半導体記憶装置92の製造方法を示す模式的な断面図である。また、図6Cの(b)は、図6Cの(a)に対応する平面図(上面図)である。これらを用いて、本実施の形態3の半導体記憶装置92の要部の製造方法について説明する。なお、図6(a)の工程は、図2(a)と同様であるので、説明を省略する。また、図6(e)以降の工程は、図2(e)〜図2(g)と同様であるので、説明を省略する。
(Method for Manufacturing Semiconductor Memory Device According to Embodiment 3)
Next, a method for manufacturing the semiconductor memory device 92 according to the third embodiment will be described. Detailed description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted as appropriate. Here, FIGS. 6A, 6B, and 6C (a) and FIGS. 6D to 6E are schematic cross-sectional views showing a method of manufacturing the semiconductor memory device 92 shown in FIGS. 5A and 5B. Moreover, (b) of FIG. 6C is a plan view (top view) corresponding to (a) of FIG. 6C. The manufacturing method of the principal part of the semiconductor memory device 92 of the third embodiment will be described using these. Note that the process of FIG. 6A is the same as that of FIG. Moreover, since the process after FIG.6 (e) is the same as that of FIG.2 (e)-FIG.2 (g), description is abbreviate | omitted.

先ず、図6Aに示すように、基板S上に、CVD法により、TEOSを原料としてシリコン酸化膜を、500〜1000[nm]の厚さに堆積させて、第3層間絶縁膜3を形成する(第1工程の一部)。   First, as shown in FIG. 6A, a third interlayer insulating film 3 is formed on a substrate S by depositing a silicon oxide film to a thickness of 500 to 1000 [nm] using TEOS as a raw material by a CVD method. (Part of the first step).

引き続き、銅(Cu)を配線材料として用い、一般的なCuダマシン法により、第3層間絶縁膜3内に第1配線51を埋め込み形成する(第2工程)。ここでは、実施の形態1及び実施の形態2と同様に、Cu膜厚は200[nm]、配線幅は約0.5[μm]とした。   Subsequently, the first wiring 51 is embedded and formed in the third interlayer insulating film 3 by a general Cu damascene method using copper (Cu) as a wiring material (second step). Here, as in the first and second embodiments, the Cu film thickness was 200 [nm] and the wiring width was about 0.5 [μm].

引き続き、図6Bに示すように、第3層間絶縁膜3及び第1配線51の表面を被覆するように、CVD法により、第4層間絶縁膜4を構成するTEOS膜4’を、5〜100[nm]の厚さに堆積する。   Subsequently, as shown in FIG. 6B, the TEOS film 4 ′ constituting the fourth interlayer insulating film 4 is formed in a thickness of 5 to 100 by CVD so as to cover the surfaces of the third interlayer insulating film 3 and the first wiring 51. Deposit to a thickness of [nm].

引き続き、図6Cの(a)に示すように、露光プロセスを用いてマスキングして、TEOS膜4’をエッチングすることにより、第1配線51の上に、配線上窪み61を形成する。これにより、第4層間絶縁膜4の表面と第1配線51の露出面との境界に段差4aが形成される。尚、TEOS膜4’のエッチングには、一般的なドライエッチング法を用いた。エッチングガスとしては、フッ素系ガス(CHFやCF等)を用いることができる。 Subsequently, as shown in (a) of FIG. 6C, masking is performed using an exposure process, and the TEOS film 4 ′ is etched, thereby forming a wiring upper recess 61 on the first wiring 51. As a result, a step 4 a is formed at the boundary between the surface of the fourth interlayer insulating film 4 and the exposed surface of the first wiring 51. A general dry etching method was used for etching the TEOS film 4 ′. As the etching gas, a fluorine-based gas (CHF 3 , CF 4, or the like) can be used.

ここで、図6Cの(b)に示すように、エッチング領域は、第1配線51の延長方向(長手方向)に沿った溝形状となっている。本実施の形態3では、エッチング領域の溝幅は、450[nm]とした。尚、エッチング領域の溝幅は、プロセスや第1配線51の幅、抵抗変化素子270の大きさ等を考慮して適切に設定することが好ましい。   Here, as shown in FIG. 6C (b), the etching region has a groove shape along the extending direction (longitudinal direction) of the first wiring 51. In the third embodiment, the groove width of the etching region is 450 [nm]. The groove width of the etching region is preferably set appropriately in consideration of the process, the width of the first wiring 51, the size of the resistance change element 270, and the like.

次に、図6Dに示すように、ウェハ表面全体を覆うように、第1電極膜211’、高酸素不足度膜221’、低酸素不足度膜222’および第2電極膜212’をこの順に堆積させる。尚、本実施の形態3において、第1電極膜211’を形成する第3工程、高酸素不足度膜221’及び低酸素不足度膜222’を形成する第4工程、第2電極膜212’を形成する第5工程は、実施の形態1の第3工程〜第5工程と同じである。   Next, as shown in FIG. 6D, the first electrode film 211 ′, the high oxygen deficiency film 221 ′, the low oxygen deficiency film 222 ′, and the second electrode film 212 ′ are arranged in this order so as to cover the entire wafer surface. Deposit. In the third embodiment, the third step of forming the first electrode film 211 ′, the fourth step of forming the high oxygen deficiency film 221 ′ and the low oxygen deficiency film 222 ′, and the second electrode film 212 ′. The fifth step of forming is the same as the third to fifth steps of the first embodiment.

尚、本実施の形態3では、抵抗変化素子270が実施の形態1の抵抗変化素子70と同じである場合を想定しているが、抵抗変化素子270として、実施の形態2の抵抗変化素子170を用いる場合には、上述した図6Dの工程に代えて、実施の形態2の第3工程〜第5工程を実行する。   In the third embodiment, it is assumed that the resistance change element 270 is the same as the resistance change element 70 in the first embodiment, but the resistance change element 170 in the second embodiment is used as the resistance change element 270. Is used, the third to fifth steps of the second embodiment are executed in place of the step of FIG. 6D described above.

次に、図6Eに示すように、第1電極膜211’、高酸素不足度膜221’、低酸素不足度膜222’および第2電極膜212’を、低酸素不足度層222に段差部222aが含まれるように、露光プロセスを用いてマスキングしてエッチングすることにより、第1電極211、高酸素不足度層221、低酸素不足度層222および第2電極212を形成する(第6工程)。これにより抵抗変化素子270を形成する。このとき抵抗変化素子270は、低酸素不足度層222の段差部222aを含むように形成される。尚、本実施の形態3では、実施の形態1及び実施の形態2と同様に、抵抗変化素子270の平面視における寸法および形状が、0.5[μm]×0.5[μm]の正方形となるように形成した。   Next, as shown in FIG. 6E, the first electrode film 211 ′, the high oxygen deficiency film 221 ′, the low oxygen deficiency film 222 ′, and the second electrode film 212 ′ are stepped into the low oxygen deficiency layer 222. The first electrode 211, the high oxygen deficiency layer 221, the low oxygen deficiency layer 222, and the second electrode 212 are formed by masking and etching using an exposure process so that 222 a is included (sixth step) ). Thereby, the resistance change element 270 is formed. At this time, the resistance change element 270 is formed so as to include the step portion 222 a of the low oxygen deficiency layer 222. In the third embodiment, as in the first and second embodiments, the resistance change element 270 has a square size and shape of 0.5 [μm] × 0.5 [μm] in plan view. It formed so that it might become.

また、抵抗変化素子270の平面視における位置は、図6Dに示す第1電極膜211’の膜厚をT1、高酸素不足度膜221’の膜厚をT2、低酸素不足度膜222’の膜厚をT3とすると、平面視における段差部222aの第2電極212に接する表面の位置は、段差4aからおおよそ(T1+T2+T3)だけ第1配線51側に離れた位置となる。また、一般的な技術水準におけるリソグラフィーの位置ずれを考慮すると、低酸素不足度層222に段差部222aを含むように抵抗変化素子270を形成するためには、平面視において、段差4aと、抵抗変化素子270の段差4aから第1配線51側へ向かう方向の端部との間の寸法d5は、(T1+T2+T3+50)[nm]より大きくする必要がある。また、平面視において、段差4aと、抵抗変化素子270の段差4aから第1層間絶縁膜1側へ向かう方向の端部との間の寸法d6は、リソグラフィー精度やエッチング精度などのプロセス精度を総合的に考慮して、第1電極211と第1配線51が電気的に接続される寸法になっていればよい。また、本実施の形態3では、図5A及び図5Bに示すように、抵抗変化素子270の平面視における中心が、段差4aに近接あるいは重なるように、寸法d5及び寸法d6を設定した。尚、本実施の形態3における抵抗変化素子270の平面視における形状は、正方形に限定されない。例えば、角が丸まった正方形や、長方形、角が丸まった長方形、楕円、六角形等、任意である。   Further, the position of the resistance change element 270 in plan view is that the film thickness of the first electrode film 211 ′ shown in FIG. 6D is T1, the film thickness of the high oxygen deficiency film 221 ′ is T2, and the film thickness of the low oxygen deficiency film 222 ′. When the film thickness is T3, the position of the surface in contact with the second electrode 212 of the stepped portion 222a in plan view is a position separated from the step 4a by about (T1 + T2 + T3) to the first wiring 51 side. In consideration of lithography misregistration in a general technical level, in order to form the resistance change element 270 so as to include the stepped portion 222a in the low oxygen deficiency layer 222, in the plan view, the step 4a and the resistance The dimension d5 between the step 4a of the change element 270 and the end portion in the direction toward the first wiring 51 needs to be larger than (T1 + T2 + T3 + 50) [nm]. Further, in plan view, the dimension d6 between the step 4a and the end of the resistance change element 270 in the direction from the step 4a toward the first interlayer insulating film 1 side is a total of process accuracy such as lithography accuracy and etching accuracy. In consideration, the first electrode 211 and the first wiring 51 need only be dimensioned to be electrically connected. In the third embodiment, as shown in FIGS. 5A and 5B, the dimension d5 and the dimension d6 are set so that the center of the resistance change element 270 in plan view is close to or overlaps the step 4a. Note that the shape of the variable resistance element 270 according to the third embodiment in plan view is not limited to a square. For example, a square with rounded corners, a rectangle, a rectangle with rounded corners, an ellipse, a hexagon, and the like are arbitrary.

図6Eに示す第6工程に引き続き、第2層間絶縁膜2を形成する工程と、コンタクトプラグ40を形成する工程と、第2配線52を形成する工程とを実行する。尚、これらの工程は、上記実施の形態1と同じである。   Subsequent to the sixth step shown in FIG. 6E, a step of forming the second interlayer insulating film 2, a step of forming the contact plug 40, and a step of forming the second wiring 52 are executed. These steps are the same as those in the first embodiment.

(実施の形態3の変形例)
次に、半導体記憶装置92の変形例について、図7A及び図7Bを基に説明する。
(Modification of Embodiment 3)
Next, a modification of the semiconductor memory device 92 will be described with reference to FIGS. 7A and 7B.

尚、上述した実施の形態3では、配線上窪み61が直線形状である場合について説明したが、配線上窪み61の形状はこれに限るものではない。   In the third embodiment described above, the case where the wiring depression 61 has a linear shape has been described. However, the shape of the wiring depression 61 is not limited to this.

ここで、図7Aは、本実施の形態3の変形例における半導体記憶装置93の模式的な平面図である。また、図7Bは、図7AのX−X’断面に対応する半導体記憶装置93の模式的な断面図である。   Here, FIG. 7A is a schematic plan view of a semiconductor memory device 93 according to a modification of the third embodiment. FIG. 7B is a schematic cross-sectional view of the semiconductor memory device 93 corresponding to the X-X ′ cross section of FIG. 7A.

図7A及び図7Bに示すように、本実施の形態3の変形例における配線上窪み61の形状は、正方形となっている。   As shown in FIGS. 7A and 7B, the shape of the wiring upper depression 61 in the modification of the third embodiment is a square.

かかる構成によれば、段差4aが、平面視において、角を有するようになる。即ち、低酸素不足度層222の段差部222aには、当該段差4aの角の形状を反映した部分が形成される。これにより、低酸素不足度層222の角部は、電界が集中しやすいことから、図5A、図5Bの構成に比べて、初期ブレーク電圧のさらなる低電圧化を図ることができる。   According to such a configuration, the step 4a has a corner in plan view. That is, in the stepped portion 222a of the low oxygen deficiency layer 222, a portion reflecting the corner shape of the stepped portion 4a is formed. Thereby, since the electric field tends to concentrate at the corners of the low oxygen deficiency layer 222, the initial break voltage can be further reduced as compared with the configurations of FIGS. 5A and 5B.

(実施の形態3の変形例に係る半導体記憶装置の製造方法)
次に、本実施の形態3の変形例における半導体記憶装置93の製造方法について、図8を基に説明する。尚、本実施の形態3の変形例では、配線上窪み61を形成する工程以外の工程は、本実施の形態3における製造工程と同じである。本実施の形態3と同じ工程については、説明を省略する。
(Manufacturing Method of Semiconductor Memory Device According to Modification of Third Embodiment)
Next, a method for manufacturing the semiconductor memory device 93 according to the modification of the third embodiment will be described with reference to FIG. In the modification of the third embodiment, the steps other than the step of forming the wiring upper recess 61 are the same as the manufacturing steps in the third embodiment. The description of the same steps as those in Embodiment 3 is omitted.

ここで、図8の(a)は、図7に示す半導体記憶装置93の製造方法を示す模式的な断面図である。また、図8の(b)は、図8の(a)に対応する平面図(上面図)である。   Here, FIG. 8A is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing the semiconductor memory device 93 shown in FIG. FIG. 8B is a plan view (top view) corresponding to FIG.

図8の(b)に示すように、TEOS膜4’に対するエッチング領域は、平面視における形状が、正方形状であり、平面視における位置が、第1配線51の表面を露出する位置に配置されている。エッチング領域の平面視における寸法は、一辺が400[nm]の四角形状とした。なお、エッチング領域は、平面視において、全領域が第1配線51の上である必要はない。この場合においても、抵抗変化素子270は、エッチング領域の境界のうち、第4層間絶縁膜4(第1層間絶縁膜1)の表面と、第1配線51の露出面との境界の上に位置するように形成する。   As shown in FIG. 8B, the etching region for the TEOS film 4 ′ has a square shape in plan view, and the position in plan view is arranged at a position where the surface of the first wiring 51 is exposed. ing. The dimension of the etching region in plan view was a quadrangular shape with a side of 400 [nm]. Note that the etching region does not have to be entirely on the first wiring 51 in plan view. Also in this case, the resistance change element 270 is located on the boundary between the surface of the fourth interlayer insulating film 4 (first interlayer insulating film 1) and the exposed surface of the first wiring 51 in the boundary of the etching region. To be formed.

また、エッチング領域の平面視における形状は、正方形に限定されない。エッチング領域の平面視における形状は、角が丸まった正方形、長方形、角が丸まった長方形、楕円、多角形等であっても良い。尚、段差4aが平面視において角を含む形状であり、低酸素不足度層222の段差部222aに、当該段差4aの角の形状を反映した部分が形成されるように構成すれば、実施の形態3の構成と同様に、図5A、図5Bの構成に比べて、初期ブレーク電圧のさらなる低電圧化を図ることができる。   Further, the shape of the etching region in plan view is not limited to a square. The shape of the etching region in plan view may be a square with rounded corners, a rectangle, a rectangle with rounded corners, an ellipse, a polygon, or the like. Note that the step 4a has a shape including a corner in plan view, and a portion reflecting the shape of the corner of the step 4a is formed in the step 222a of the low oxygen deficiency layer 222. Similar to the configuration of the third embodiment, the initial break voltage can be further reduced as compared with the configurations of FIGS. 5A and 5B.

(実施の形態1〜実施の形態3の変形例)
上記実施の形態1〜実施の形態3では、低酸素不足度層を構成する第2遷移金属酸化物及び高酸素不足度層を構成する第1遷移金属酸化物として、タンタル酸化物を用いる場合を想定して説明したが、ハフニウム酸化物やジルコニウム酸化物等、他の遷移金属酸化物を用いてもよい。
(Modification of Embodiments 1 to 3)
In the first to third embodiments, the tantalum oxide is used as the second transition metal oxide constituting the low oxygen deficiency layer and the first transition metal oxide constituting the high oxygen deficiency layer. As described above, other transition metal oxides such as hafnium oxide and zirconium oxide may be used.

ハフニウム酸化物を用いる場合は、第2遷移金属酸化物の組成をHfOとし、第1遷移金属酸化物の組成をHfOとすると、0.9≦x≦1.6、1.8<y<2.0を充足するのが好適である。 When hafnium oxide is used, assuming that the composition of the second transition metal oxide is HfO y and the composition of the first transition metal oxide is HfO x , 0.9 ≦ x ≦ 1.6, 1.8 <y It is preferable to satisfy <2.0.

この場合において、ハフニウム酸化物を用いた高酸素不足度層は、例えば、Hfターゲットを用い、アルゴンガス及び酸素ガス中でスパッタリングする反応性スパッタリング法で生成できる。高酸素不足度層の酸素含有率は、上述したタンタル酸化物の場合と同様、反応性スパッタ中のアルゴンガスに対する酸素ガスの流量比を変えることにより容易に調整することができる。なお、基板温度は特に加熱することなく室温とすることができる。   In this case, the high oxygen deficiency layer using hafnium oxide can be generated, for example, by a reactive sputtering method using an Hf target and sputtering in argon gas and oxygen gas. As in the case of the tantalum oxide described above, the oxygen content of the high oxygen deficiency layer can be easily adjusted by changing the flow ratio of oxygen gas to argon gas during reactive sputtering. The substrate temperature can be set to room temperature without any particular heating.

ハフニウム酸化物を用いた低酸素不足度層は、例えば、アルゴンガスと酸素ガスのプラズマに、高酸素不足度層の表面を暴露することにより形成できる。低酸素不足度層の膜厚は、アルゴンガスと酸素ガスのプラズマへの暴露時間により容易に調整することができる。低酸素不足度層の膜厚は3[nm]以上、4[nm]以下であることが好ましい。   The low oxygen deficiency layer using hafnium oxide can be formed, for example, by exposing the surface of the high oxygen deficiency layer to a plasma of argon gas and oxygen gas. The film thickness of the low oxygen deficiency layer can be easily adjusted by the exposure time of the argon gas and oxygen gas to the plasma. The thickness of the low oxygen deficiency layer is preferably 3 [nm] or more and 4 [nm] or less.

また、ジルコニウム酸化物を用いる場合は、第2遷移金属酸化物の組成をZrOとし、第1遷移金属酸化物の組成をZrOとすると、0.9≦x≦1.4、1.9<y<2.0を充足するのが好適である。 When zirconium oxide is used, assuming that the composition of the second transition metal oxide is ZrO y and the composition of the first transition metal oxide is ZrO x , 0.9 ≦ x ≦ 1.4, 1.9 It is preferable to satisfy <y <2.0.

この場合において、ジルコニウム酸化物を用いた高酸素不足度層は、例えば、Zrターゲットを用い、アルゴンガス及び酸素ガス中でスパッタリングする反応性スパッタリング法で生成できる。高酸素不足度層の酸素含有率は、上述したタンタル酸化物の場合と同様、反応性スパッタ中のアルゴンガスに対する酸素ガスの流量比を変えることにより容易に調整することができる。なお、基板温度は特に加熱することなく室温とすることができる。   In this case, the high oxygen deficiency layer using zirconium oxide can be generated by, for example, a reactive sputtering method using a Zr target and sputtering in argon gas and oxygen gas. As in the case of the tantalum oxide described above, the oxygen content of the high oxygen deficiency layer can be easily adjusted by changing the flow ratio of oxygen gas to argon gas during reactive sputtering. The substrate temperature can be set to room temperature without any particular heating.

ジルコニウム酸化物を用いた低酸素不足度層は、例えば、アルゴンガスと酸素ガスのプラズマに高酸素不足度層の表面を暴露することにより形成できる。低酸素不足度層の膜厚は、アルゴンガスと酸素ガスのプラズマへの暴露時間により容易に調整することができる。低酸素不足度層の膜厚は1[nm]以上、5[nm]以下であることが好ましい。   The low oxygen deficiency layer using zirconium oxide can be formed, for example, by exposing the surface of the high oxygen deficiency layer to plasma of argon gas and oxygen gas. The film thickness of the low oxygen deficiency layer can be easily adjusted by the exposure time of the argon gas and oxygen gas to the plasma. The thickness of the low oxygen deficiency layer is preferably 1 [nm] or more and 5 [nm] or less.

なお、上述したハフニウム酸化物層及びジルコニウム酸化物層は、スパッタリングに変えて、CVD法やALD(Atomic Layer Deposition)法を用いても形成できる。   Note that the above-described hafnium oxide layer and zirconium oxide layer can be formed by using a CVD method or an ALD (Atomic Layer Deposition) method instead of sputtering.

さらに、高酸素不足度層及び低酸素不足度層には、抵抗変化を発現する主たる抵抗変化層として、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム等の酸化物層が含まれていればよく、これ以外に例えば微量の他元素が含まれていても構わない。抵抗値の微調整等で、他元素を少量、意図的に含めることも可能であり、このような場合も本発明の範囲に含まれるものである。例えば、抵抗変化層に窒素を添加すれば、抵抗変化層の抵抗値が上がり、抵抗変化の反応性を改善できる。   Furthermore, the high oxygen deficiency layer and the low oxygen deficiency layer only need to contain an oxide layer such as tantalum, hafnium, zirconium, etc. as the main resistance change layer that exhibits resistance change. Other elements may be included. It is also possible to intentionally include a small amount of other elements by fine adjustment of the resistance value, and such a case is also included in the scope of the present invention. For example, if nitrogen is added to the resistance change layer, the resistance value of the resistance change layer increases and the reactivity of resistance change can be improved.

したがって、酸素不足型の遷移金属酸化物Mを抵抗変化層に用いた抵抗変化素子について、抵抗変化層を、MOで表される組成を有する酸素不足型の第1遷移金属酸化物を含む高酸素不足度層と、MO(但し、x<y)で表される組成を有する酸素不足型の第2遷移金属酸化物を含む低酸素不足度層とを有した構成とした場合、高酸素不足度層および低酸素不足度層は、対応する組成の遷移金属酸化物のほかに、所定の不純物(例えば、抵抗値の調整のための添加物)を含むことを妨げない。 Therefore, in the resistance change element using the oxygen-deficient transition metal oxide M for the resistance change layer, the resistance change layer includes the oxygen-deficient first transition metal oxide having a composition represented by MO x. In the case of a configuration having an oxygen deficiency layer and a low oxygen deficiency layer containing an oxygen-deficient second transition metal oxide having a composition represented by MO y (x <y), high oxygen The deficiency layer and the low oxygen deficiency layer do not prevent inclusion of a predetermined impurity (for example, an additive for adjusting the resistance value) in addition to the corresponding transition metal oxide.

また、スパッタリングにて抵抗膜を形成した際に、残留ガスや真空容器壁からのガス放出などにより、意図しない微量の元素が抵抗膜に混入することがあるが、このような微量の元素が抵抗膜に混入した場合も本発明の範囲に含まれることは当然である。   In addition, when a resistive film is formed by sputtering, an unintended trace element may be mixed into the resistive film due to residual gas or outgassing from the vacuum vessel wall. Naturally, it is also included in the scope of the present invention when mixed into the film.

また、第1遷移金属酸化物を構成する第1遷移金属と、第2遷移金属酸化物を構成する第2遷移金属とは、異なる遷移金属を用いてもよい。この場合、第2遷移金属酸化物は、第1遷移金属酸化物よりも酸素不足度が小さい、つまり抵抗が高い方が好ましい。   Moreover, you may use a different transition metal for the 1st transition metal which comprises a 1st transition metal oxide, and the 2nd transition metal which comprises a 2nd transition metal oxide. In this case, the second transition metal oxide preferably has a lower degree of oxygen deficiency than the first transition metal oxide, that is, has a higher resistance.

このような構成とすることにより、第1電極と第2電極との間に印加された電圧は、第2遷移金属酸化物層により多く分配されることになり、その結果、第2遷移金属酸化物層中で発生する酸化還元反応をより起こしやすくすることができる。   By adopting such a configuration, the voltage applied between the first electrode and the second electrode is distributed more in the second transition metal oxide layer, and as a result, the second transition metal oxidation is performed. The oxidation-reduction reaction generated in the physical layer can be more easily caused.

また、第1遷移金属と第2遷移金属とに互いに異なる材料を用いる場合、第2遷移金属の標準電極電位は、第1遷移金属の標準電極電位より小さい方が好ましい。抵抗変化現象は、抵抗が高い第2遷移金属酸化物層中に形成された微小なフィラメント(導電パス)中で酸化還元反応が起こってその抵抗値が変化し、発生すると考えられるからである。   When different materials are used for the first transition metal and the second transition metal, the standard electrode potential of the second transition metal is preferably smaller than the standard electrode potential of the first transition metal. This is because the resistance change phenomenon is considered to occur when a redox reaction occurs in a small filament (conductive path) formed in the second transition metal oxide layer having a high resistance, and the resistance value changes.

例えば、第1遷移金属酸化物に酸素不足型のタンタル酸化物を用い、第2遷移金属酸化物にチタン酸化物(TiO)を用いることにより、安定した抵抗変化動作が得られる。チタン(標準電極電位=−1.63[eV])はタンタル(標準電極電位=−0.6[eV])より標準電極電位が低い材料である。 For example, a stable resistance change operation can be obtained by using an oxygen-deficient tantalum oxide for the first transition metal oxide and titanium oxide (TiO 2 ) for the second transition metal oxide. Titanium (standard electrode potential = −1.63 [eV]) is a material having a lower standard electrode potential than tantalum (standard electrode potential = −0.6 [eV]).

標準電極電位は、その値が大きいほど酸化しにくい特性を表す。第2遷移金属酸化物に第1遷移金属酸化物より標準電極電位が小さい金属の酸化物を配置することにより、第2遷移金属酸化物層中でより酸化還元反応が発生しやすくなる。   The standard electrode potential represents a characteristic that the greater the value, the less likely it is to oxidize. By disposing a metal oxide having a standard electrode potential smaller than that of the first transition metal oxide in the second transition metal oxide, a redox reaction is more likely to occur in the second transition metal oxide layer.

上記の各材料の積層構造の抵抗変化膜における抵抗変化現象は、いずれも抵抗が高い第2遷移金属酸化物層中に形成された微小なフィラメント中で酸化還元反応が起こってその抵抗値が変化し、発生すると考えられる。   The resistance change phenomenon in the variable resistance film of the laminated structure of each material described above is caused by the oxidation-reduction reaction occurring in the minute filament formed in the second transition metal oxide layer having high resistance, and the resistance value changes. And is thought to occur.

つまり、第2遷移金属酸化物層側の第2電極に、第1電極を基準にして正の電圧を印加したとき、抵抗変化層中の酸素イオンが第2遷移金属酸化物層側に引き寄せられて第2遷移金属酸化物層中に形成された微小なフィラメント中で酸化反応が発生して微小なフィラメントの抵抗が増大すると考えられる。   That is, when a positive voltage is applied to the second electrode on the second transition metal oxide layer side with respect to the first electrode, oxygen ions in the resistance change layer are attracted to the second transition metal oxide layer side. Thus, it is considered that an oxidation reaction occurs in the microfilament formed in the second transition metal oxide layer and the resistance of the microfilament increases.

逆に、第2遷移金属酸化物層側の第2電極に、第1電極を基準にして負の電圧を印加したとき、第2遷移金属酸化物層中の酸素イオンが第1遷移金属酸化物層側に押しやられて第2遷移金属酸化物層中に形成された微小なフィラメント中で還元反応が発生して微小なフィラメントの抵抗が減少すると考えられる。   Conversely, when a negative voltage is applied to the second electrode on the second transition metal oxide layer side with respect to the first electrode, oxygen ions in the second transition metal oxide layer are converted into the first transition metal oxide. It is considered that the reductive reaction occurs in the microfilament formed in the second transition metal oxide layer by being pushed to the layer side, and the resistance of the microfilament is reduced.

酸素不足度がより小さい第2遷移金属酸化物層に接続されている第2電極は、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)など、第2遷移金属酸化物を構成する第2遷移金属及び第1電極を構成する材料と比べて標準電極電位がより高い材料で構成する。このような構成とすることにより、第2電極と第2遷移金属酸化物層の界面近傍の第2遷移金属酸化物層中のフィラメントにおいて選択的に酸化還元反応が発生し、安定した抵抗変化現象が得られる。   The second electrode connected to the second transition metal oxide layer having a smaller oxygen deficiency includes, for example, a second transition metal constituting the second transition metal oxide, such as platinum (Pt), iridium (Ir), and the like. The first electrode is made of a material having a higher standard electrode potential than the material constituting the first electrode. With such a configuration, a redox reaction occurs selectively in the filament in the second transition metal oxide layer near the interface between the second electrode and the second transition metal oxide layer, and a stable resistance change phenomenon Is obtained.

以上、本発明に係る半導体記憶装置及びその製造方法について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、当業者が思いつく各種変形を施したり、実施の形態における構成要素を任意に組み合わせたりして実現される抵抗変化型不揮発性素子及びその製造方法も、本発明に含まれる。   The semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the present invention have been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to such embodiments. A variable resistance nonvolatile element realized by making various modifications conceived by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention, or by arbitrarily combining the components in the embodiment, and a method for manufacturing the variable resistance nonvolatile element are also included in the present invention. include.

本発明は、抵抗変化型の半導体記憶装置及びその製造方法を提供するものであり、初期ブレーク電圧をより低電圧化させ、素子間ばらつきを低減できる半導体記憶装置を実現することができるので、不揮発性半導体記憶装置を用いる種々の電子機器分野に有用である。   The present invention provides a resistance change type semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, and can realize a semiconductor memory device that can lower an initial break voltage and reduce inter-element variation. The present invention is useful in various electronic equipment fields using a conductive semiconductor memory device.

S 基板
1 第1層間絶縁膜
1a、4a 段差
2 第2層間絶縁膜
3 第3層間絶縁膜
4 第4層間絶縁膜
4’ TEOS膜
11、111、211 第1電極
11’、211’ 第1電極膜
12、112、212 第2電極
12’、212’ 第2電極膜
21、121、221 高酸素不足度層
21’、221’ 高酸素不足度膜
22、122、222 低酸素不足度層
22’、222’ 低酸素不足度膜
22a、122a、222a 段差部
40 プラグ
40a コンタクトホール
51 第1配線
52 第2配線
61 配線上窪み
70、170、270 抵抗変化素子
90、91、92、93 半導体記憶装置
S substrate 1 first interlayer insulating film 1a, 4a step 2 second interlayer insulating film 3 third interlayer insulating film 4 fourth interlayer insulating film 4 ′ TEOS films 11, 111, 211 first electrodes 11 ′, 211 ′ first electrode Membrane 12, 112, 212 Second electrode 12 ', 212' Second electrode membrane 21, 121, 221 High oxygen deficiency layer 21 ', 221' High oxygen deficiency film 22, 122, 222 Low oxygen deficiency layer 22 ' , 222 ′ Low oxygen deficiency films 22 a, 122 a, 222 a Stepped portion 40 Plug 40 a Contact hole 51 First wiring 52 Second wiring 61 Upper depressions 70, 170, 270 Resistance change elements 90, 91, 92, 93 Semiconductor memory device

Claims (14)

基板と、
前記基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に、表面の少なくとも一部が前記層間絶縁膜の上面から露出した状態で形成された配線と、
前記層間絶縁膜の上面と前記配線の露出面との境界を跨いで形成された下部電極と、
酸素不足型の第2遷移金属酸化物を用いて構成された低酸素不足度層と、前記第2遷移金属酸化物より酸素不足度が大きい第1遷移金属酸化物を用いて構成された高酸素不足度層とを、前記下部電極上に積層して構成された抵抗変化層と、
前記抵抗変化層上に形成された上部電極とを備え、
前記層間絶縁膜の前記上面と前記配線の前記露出面との境界には、段差が形成され、
前記抵抗変化層の前記低酸素不足度層は、前記境界の形状に沿って形成されることで、断面視における段差部を有する
半導体記憶装置。
A substrate,
An interlayer insulating film formed on the substrate;
A wiring formed on the interlayer insulating film in a state where at least a part of the surface is exposed from the upper surface of the interlayer insulating film;
A lower electrode formed across the boundary between the upper surface of the interlayer insulating film and the exposed surface of the wiring;
A low oxygen deficiency layer configured using an oxygen-deficient second transition metal oxide, and a high oxygen configured using a first transition metal oxide having a greater oxygen deficiency than the second transition metal oxide A variable resistance layer configured by laminating a deficiency layer on the lower electrode;
An upper electrode formed on the variable resistance layer,
A step is formed at the boundary between the upper surface of the interlayer insulating film and the exposed surface of the wiring,
The low oxygen deficiency layer of the resistance change layer is formed along the shape of the boundary, thereby having a step portion in a cross-sectional view.
前記抵抗変化層の前記高酸素不足度層は、前記下部電極上に形成され、
前記抵抗変化層の前記低酸素不足度層は、前記高酸素不足度層上に形成される
請求項1に記載の半導体記憶装置。
The high oxygen deficiency layer of the resistance change layer is formed on the lower electrode,
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the low oxygen deficiency layer of the resistance change layer is formed on the high oxygen deficiency layer.
前記抵抗変化層の前記低酸素不足度層は、前記下部電極上に形成され、
前記抵抗変化層の前記高酸素不足度層は、前記低酸素不足度層上に形成される
請求項1に記載の半導体記憶装置。
The low oxygen deficiency layer of the resistance change layer is formed on the lower electrode;
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the high oxygen deficiency layer of the resistance change layer is formed on the low oxygen deficiency layer.
前記下部電極は、前記層間絶縁膜の前記上面と前記配線の前記露出面との前記境界の一部を跨いで形成される
請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the lower electrode is formed across a part of the boundary between the upper surface of the interlayer insulating film and the exposed surface of the wiring.
前記配線の前記露出面の全面が、前記層間絶縁膜の前記上面より上側となるように形成される
請求項1〜4の何れか1項に記載の半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the entire exposed surface of the wiring is formed to be above the upper surface of the interlayer insulating film.
前記配線の前記露出面が、前記層間絶縁膜の前記上面より下側となるように形成され、且つ、
前記層間絶縁膜は、前記配線の前記上面の一部を被覆するように形成される
請求項1〜4の何れか1項に記載の半導体記憶装置。
The exposed surface of the wiring is formed to be lower than the upper surface of the interlayer insulating film; and
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the interlayer insulating film is formed so as to cover a part of the upper surface of the wiring.
前記低酸素不足度層の断面視における前記段差部が、平面視において直線形状である
請求項1〜6の何れか1項に記載の半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the stepped portion in a cross-sectional view of the low oxygen deficiency layer has a linear shape in a plan view.
前記低酸素不足度層の断面視における前記段差部が、平面視において曲部を持つ
請求項1〜6の何れか1項に記載の半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the step portion in the cross-sectional view of the low oxygen deficiency layer has a curved portion in a plan view.
前記第1遷移金属酸化物及び前記第2遷移金属酸化物は、タンタル、ハフニウム、または、ジルコニウムを含む材料で構成される
請求項1〜8の何れか1項に記載の半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the first transition metal oxide and the second transition metal oxide are made of a material containing tantalum, hafnium, or zirconium.
前記第2遷移金属酸化物は、絶縁体で構成される
請求項9に記載の半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 9, wherein the second transition metal oxide is made of an insulator.
前記下部電極及び前記上部電極のうち、前記低酸素不足度層に接して形成される電極は、白金、パラジウム、イリジウム、または、これらの混合物を含む材料で構成される
請求項1〜10の何れか1項に記載の半導体記憶装置。
The electrode formed in contact with the low oxygen deficiency layer among the lower electrode and the upper electrode is composed of a material containing platinum, palladium, iridium, or a mixture thereof. 2. A semiconductor memory device according to claim 1.
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する第1工程と、
前記層間絶縁膜上に、表面の少なくとも一部を前記層間絶縁膜の表面から露出させ、且つ、前記層間絶縁膜との境界に段差を有するように配線を形成する第2工程と、
前記層間絶縁膜の上面と前記配線の露出面との境界を跨いだ状態で、下部電極膜を形成する第3工程と、
前記下部電極膜上に、酸素不足型の第2遷移金属酸化物で構成された低酸素不足度膜と、前記第2遷移金属酸化物より酸素不足度が大きい第1遷移金属酸化物で構成された高酸素不足度膜とを、この順に或いは逆の順に積層して抵抗変化膜を形成する第4工程と、
前記抵抗変化膜上に上部電極膜を形成する第5工程と、
前記下部電極膜、前記抵抗変化膜及び前記上部電極膜を、前記段差に沿って形成された前記低酸素不足度膜の段差部を含む形状に加工する第6工程とを含む
半導体記憶装置の製造方法。
A first step of forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
A second step of forming a wiring on the interlayer insulating film so that at least a part of the surface is exposed from the surface of the interlayer insulating film and having a step at a boundary with the interlayer insulating film;
A third step of forming a lower electrode film across the boundary between the upper surface of the interlayer insulating film and the exposed surface of the wiring;
On the lower electrode film, a low oxygen deficiency film composed of an oxygen-deficient second transition metal oxide and a first transition metal oxide having a greater oxygen deficiency than the second transition metal oxide are formed. A fourth step of stacking the high oxygen deficiency films in this order or in the reverse order to form a resistance change film;
A fifth step of forming an upper electrode film on the variable resistance film;
A sixth step of processing the lower electrode film, the resistance change film, and the upper electrode film into a shape including a step portion of the low oxygen deficiency film formed along the step. Method.
前記第4工程は、前記下部電極膜上に前記高酸素不足度膜を形成する工程と、前記高酸素不足度膜上に前記低酸素不足度膜を形成する工程とを有する
請求項12に記載の半導体記憶装置の製造方法。
The fourth step includes a step of forming the high oxygen deficiency film on the lower electrode film and a step of forming the low oxygen deficiency film on the high oxygen deficiency film. Manufacturing method of the semiconductor memory device of FIG.
前記第4工程は、前記下部電極膜上に前記低酸素不足度膜を形成する工程と、前記低酸素不足度膜上に前記高酸素不足度膜を形成する工程とを有する
請求項12に記載の半導体記憶装置の製造方法。
The fourth step includes: forming the low oxygen deficiency film on the lower electrode film; and forming the high oxygen deficiency film on the low oxygen deficiency film. Manufacturing method of the semiconductor memory device of FIG.
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