JP5352966B2 - Method of manufacturing resistance change memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体メモリ装置の製造方法に関し、特に、フォーミング電圧及びリセット電流が小さい抵抗変化メモリ装置(ReRAM)(Resistance Random Access Memory : ReRAM)の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor memory device, and more particularly to a method of manufacturing a resistance change memory device (ReRAM) (ReRAM) having a small forming voltage and reset current.
遷移金属酸化物(例えば、NiO)を金属電極(例えば、Pt)で挟んだ素子に、電圧パルスを印加すると、抵抗値が可逆的発に変化し且つ不揮発性の抵抗スイッチ効果が発現する。 When a voltage pulse is applied to an element in which a transition metal oxide (for example, NiO) is sandwiched between metal electrodes (for example, Pt), the resistance value reversibly changes and a nonvolatile resistance switch effect is exhibited.
近年、この現象を利用した抵抗変化メモリ装置(ReRAM)(Resistance Random Access Memory : ReRAM)が、DRAMの高速性やフラッシュメモリの不揮発性という各種メモリが持った利点を兼ね備えたユニバーサルメモリとして注目されている(非特許文献1)。
(1)抵抗変化素子
(i)構成
抵抗変化素子は、遷移金属酸化物を金属電極で挟んだ構成を有し、抵抗値が可逆的に変化し且つその変化が不揮発の素子である。
In recent years, resistance random access memory (ReRAM) using this phenomenon has attracted attention as a universal memory that combines the advantages of high-speed DRAM and non-volatile flash memory. (Non-Patent Document 1).
(1) Resistance change element (i) Configuration The resistance change element has a configuration in which a transition metal oxide is sandwiched between metal electrodes, a resistance value reversibly changes, and the change is a non-volatile element.
図11は、抵抗変化メモリ(ReRAM)を構成する、従来の抵抗変化素子100及びその周辺の構成を説明する断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view for explaining the configuration of a conventional
抵抗変化素子100は、例えば図11のように、例えばPt(白金)からなる上部及び下部電極102a,102b間に、例えばNiO(ニッケル酸化物)からなる遷移金属酸化物104の薄膜を挟んで構成される。尚、遷移金属酸化物104からなる層を、以後、抵抗変化層と呼ぶこととする。
For example, as shown in FIG. 11, the
遷移金属酸化物104としては、NiO以外にも、例えばTiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO及びNb2O5からなる群から選択された何れかの遷移金属酸化物を利用することもできる(特許文献1)。
In addition to NiO, for example, any transition metal oxide selected from the group consisting of TiO 2 , HfO, ZrO, ZnO, WO 3 , CoO, and Nb 2 O 5 may be used as the
一方、上部及び下部電極102a,102bとしては、AuやPt等の貴金属がよく用いられる。これは、電極102a,102bが、遷移金属酸化物104と反応して酸化することを防止するためである。
On the other hand, noble metals such as Au and Pt are often used as the upper and
尚、図11では、抵抗変化素子100の下部電極102bは、Ti膜106の上に形成されている。また、上部電極102aの上には、TiN膜108が形成されている。
In FIG. 11, the
そして、この抵抗変化素子100をTi膜106とTiN膜108で挟んだ素子構造111は、絶縁膜(例えば、SiO2膜)からなる下地110に開けられた第1のコンタクトホール112に充填されたWからなる第1のプラグ114及び下地110の上に形成されている。ここで、第1のプラグ114は、Alからなる第1の配線115の上に形成されている。
The
更に、Ti膜106、抵抗変化素子100、及びTiN膜108からなる素子構造111は、層間絶縁膜(例えば、SiO2膜)116に埋め込まれている。TiN膜108の上には、層間絶縁膜116に開けられた第2のコンタクトホール118に充填されたAlからなる第2のプラグ120が形成されている。そして、この第2のプラグ120の上には、表面がTiNで覆われたAlからなる第2の配線122が形成されている。
Further, the
ここで、Ti膜106及びTiN膜108は必須の構成ではなく、その上下の層の密着性を良くするためのものである。
Here, the Ti
(ii)特性(抵抗スイッチ効果)
図12は、NiOからなる抵抗変化層をPtからなる電極で挟んだPt/NiO/Pt抵抗変化素子の電流―電圧特性の一例である。
(Ii) Characteristics (resistance switch effect)
FIG. 12 shows an example of current-voltage characteristics of a Pt / NiO / Pt resistance change element in which a resistance change layer made of NiO is sandwiched between electrodes made of Pt.
NiOなど絶縁性の高い二元系酸化物を抵抗変化層とする抵抗変化素子では、抵抗変化素子に所定の電圧を印加して絶縁破壊を起させる処理(electroforming:以下、「フォーミング」と呼ぶ)を経た後に抵抗スイッチ効果が発現する。 In a resistance change element using a highly variable binary oxide such as NiO as a resistance change layer, a process of applying a predetermined voltage to the resistance change element to cause dielectric breakdown (electroforming: hereinafter referred to as “forming”) After passing through, the resistance switch effect appears.
図12は、Pt/NiO/Pt抵抗変化素子の状態変化を示す図である。横軸(線形表示)は電圧であり、縦軸(線形表示)は電流である(尚、「A/B/C抵抗変化素子」との表示は、A、B、及びCを、それぞれ上部電極、抵抗変化層(遷移金属酸化物)、及び下部電極とする抵抗変化素子を表すものとする。)。 FIG. 12 is a diagram showing a state change of the Pt / NiO / Pt resistance change element. The horizontal axis (linear display) is the voltage, and the vertical axis (linear display) is the current (note that “A / B / C resistance change element” indicates A, B, and C respectively for the upper electrode. , A variable resistance layer (transition metal oxide), and a variable resistance element as a lower electrode).
図12に示すように、抵抗変化素子は、その内部を流れる電流と印加される電圧とに応じて、高抵抗状態と低抵抗状態との間を遷移する。高抵抗状態(例えば、10kΩ〜1MΩ)のときは、図中aで示すように、印加電圧が高くなるのに伴って内部を流れる電流が増加するが、電圧と電流との関係を示す曲線の傾きは比較的小さい。しかし、印加電圧が特定の電圧(図12中にbで示す)以上になると、抵抗値が急激に減少する。 As shown in FIG. 12, the resistance change element transitions between a high resistance state and a low resistance state in accordance with a current flowing through the resistance change element and an applied voltage. In the high resistance state (for example, 10 kΩ to 1 MΩ), as shown by a in the figure, the current flowing through the inside increases as the applied voltage increases, but the curve showing the relationship between the voltage and the current The inclination is relatively small. However, when the applied voltage is equal to or higher than a specific voltage (indicated by b in FIG. 12), the resistance value rapidly decreases.
この場合、印加電圧が高いままでは、電流が急激に増加してしまう。しかし、抵抗変化メモリ装置(ReRAM)には電流の急激な増加を防止するリミッタ回路が設けられており、このリミッタ回路の働きによって印加電圧が低下して、抵抗変化素子に大電流が流れることが防止される(図中cで示す)。 In this case, if the applied voltage remains high, the current increases rapidly. However, the resistance change memory device (ReRAM) is provided with a limiter circuit that prevents a sudden increase in current. Due to the action of the limiter circuit, the applied voltage is lowered, and a large current flows through the resistance change element. Is prevented (indicated by c in the figure).
低抵抗状態(例えば、数kΩ)では、図中dに示すように、電圧と電流との関係を示す曲線の傾きは大きくなる。そして、抵抗変化素子を流れる電流がある特定の値(図中eで示す)になると、抵抗変化素子は高抵抗状態に遷移し(図中fに示す)、電流は急激に減少する。 In the low resistance state (for example, several kΩ), as shown by d in the figure, the slope of the curve indicating the relationship between the voltage and the current increases. When the current flowing through the variable resistance element reaches a certain value (indicated by e in the figure), the variable resistance element transitions to a high resistance state (indicated by f in the figure), and the current decreases rapidly.
このように、抵抗変化素子は、高抵抗状態のときにある特定の電圧以上の電圧を印加すると低抵抗状態に遷移し、低抵抗状態のときにある特定の電流以上の電流を流すと高抵抗状態に遷移する抵抗スイッチ効果を発現する。 As described above, the resistance change element transitions to the low resistance state when a voltage higher than a specific voltage is applied in the high resistance state, and increases in resistance when a current higher than the specific current flows in the low resistance state. The resistance switch effect that changes to the state is exhibited.
低抵抗状態のときの抵抗値は数kΩ程度、高抵抗状態のときの抵抗値は数10kΩ〜1MΩ程度である。なお、一般的に、高抵抗状態から低抵抗状態への変化をセットといい、低抵抗状態から高抵抗状態の変化をリセットという。 The resistance value in the low resistance state is about several kΩ, and the resistance value in the high resistance state is about several tens kΩ to 1 MΩ. In general, a change from a high resistance state to a low resistance state is called a set, and a change from the low resistance state to a high resistance state is called a reset.
(iii)動作モデル
抵抗変化素子の動作機構の詳細は、未だ明らかでない点が多い。
(Iii) Operation Model The details of the operation mechanism of the variable resistance element are still unclear.
Pt/NiO/Pt抵抗変化素子については、素子抵抗が素子面積に依存しないとの報告があり、この報告に基づいて、以下のようなモデルが考えられている。 As for the Pt / NiO / Pt variable resistance element, there is a report that the element resistance does not depend on the element area. Based on this report, the following model is considered.
まず、フォーミングにより、図13のように、導電性のフィラメント124が、NiOからなる遷移金属酸化物104に形成される。このフィラメント124は、電流パスとして機能し、しかも電圧の印加によって開閉する。この電流パスの開閉によって、抵抗スイッチ効果が発現すると考えられている。
First, as shown in FIG. 13, a
但し、フィラメント124による電流パスの開閉がどのようにして起きるのかは、未だ解明されていない。
However, how the current path is opened and closed by the
(2)抵抗変化メモリ
上述した抵抗変化素子(図11)に於ける抵抗スイッチ効果は可逆的であり、高抵抗状態と低抵抗状態の間の遷移は何度でも繰り返し可能である。
(2) Resistance change memory The resistance switch effect in the resistance change element (FIG. 11) described above is reversible, and the transition between the high resistance state and the low resistance state can be repeated any number of times.
更に、この抵抗スイッチ効果は不揮発性である。すなわち、抵抗変化素子への電圧及び電流の供給を停止しても、停止直前の抵抗状態が保持される。 Furthermore, this resistance switch effect is non-volatile. That is, even if the supply of voltage and current to the resistance change element is stopped, the resistance state immediately before the stop is maintained.
抵抗変化メモリは、この可逆的且つ不揮発性の抵抗変化を利用する不揮発性メモリ(電源を切っても内容を保持できるメモリ)である。
(1)貴金属電極で構成された抵抗変化素子(Pt/NiO/Pt抵抗変化素子等)
上述したように、従来の抵抗変化素子の電極には、耐酸化性に優れた貴金属が使われてきた。しかし、このような抵抗変化素子には、フォーミングに必要な電圧(図12のbに於ける電圧;以下、フォーミング電圧と呼ぶ)が高く、リセットに必要な電流(図12のeに於ける電流;以下、リセット電流と呼ぶ)が大きいという問題がある。
(1) Variable resistance element composed of noble metal electrodes (Pt / NiO / Pt variable resistance element, etc.)
As described above, noble metals having excellent oxidation resistance have been used for electrodes of conventional resistance change elements. However, such a resistance change element has a high voltage required for forming (the voltage at b in FIG. 12; hereinafter referred to as the forming voltage), and the current required for reset (the current at e in FIG. 12). Hereinafter referred to as reset current).
図14は、Pt/NiO/Pt抵抗変化素子の電流―電圧特性の一例である。横軸(線形表示)は電圧であり、縦軸(対数表示)は電流である。図15は、この電流―電圧特性を測定するために用いた試料の概略断面図である。Ptからなる上部電極102aと、同じくPtからなる下部電極102bの間に、NiOからなる遷移金属104が配置されている。
FIG. 14 is an example of current-voltage characteristics of the Pt / NiO / Pt variable resistance element. The horizontal axis (linear display) is voltage, and the vertical axis (logarithmic display) is current. FIG. 15 is a schematic sectional view of a sample used for measuring the current-voltage characteristics. A
図14に示すように、上部電極及び下部電極の双方がPtからなる抵抗変化素子では、フォーミング(f)に要する電圧(フォーミング電圧)が約5Vと高く、1回目のリセット時(r1)には抵抗変化素子に流れるリセット電流が10mAを超えている。また、2回目及び3回目のリセット時(r2,r3)のリセット電流も5〜10mA以上と大きい。また、図14に示すように、セット及びリセット時の特性のバラツキが大きい。 As shown in FIG. 14, in the resistance change element in which both the upper electrode and the lower electrode are made of Pt, the voltage (forming voltage) required for forming (f) is as high as about 5 V, and at the first reset (r1) The reset current flowing through the variable resistance element exceeds 10 mA. The reset current at the second and third resets (r2, r3) is also as large as 5 to 10 mA. Further, as shown in FIG. 14, there is a large variation in characteristics during setting and resetting.
ところで、DRAM等の通常のメモリデバイスでは、低電圧化・低消費電力化が進展している。このため、メモリデバイスが、一つの記憶セルに供給できる電圧及び電流も、3.3V以下及び1mA以下と小さくなっている。 Incidentally, in a normal memory device such as a DRAM, a reduction in voltage and a reduction in power consumption are progressing. For this reason, the voltage and current that the memory device can supply to one memory cell are also reduced to 3.3 V or less and 1 mA or less.
しかし、図14に示すように、貴金属電極で構成された抵抗変化素子のリセット電流は、通常のメモリデバイスが1記憶セルに供給可能な1mAを大きく超えてしまう。 However, as shown in FIG. 14, the reset current of the resistance change element formed of the noble metal electrode greatly exceeds 1 mA that a normal memory device can supply to one memory cell.
一方、フォーミングは一度行えば以後不要であり、フォーミング電圧は、必ずしもメモリデバイスによって供給されなくてもよい。例えば、抵抗変化メモリ(ReRAM)の製造段階でフォーミング処理を行うことも考えられる。しかし、フォーミング処理を製造段階で行うには、そのための設備と工程が必要になり非効率的である。従って、ReRAMをコンピュータに組み込まれた後、メモリデバイス自身が生成する電圧によってフォーミングされることが望ましい。 On the other hand, once the forming is performed, it is not necessary thereafter, and the forming voltage is not necessarily supplied by the memory device. For example, it is conceivable to perform the forming process in the manufacturing stage of the resistance change memory (ReRAM). However, in order to perform the forming process at the manufacturing stage, equipment and processes are required for that purpose, which is inefficient. Therefore, it is desirable that the ReRAM is built into a computer and then formed by a voltage generated by the memory device itself.
しかし、上述したように貴金属電極からなる抵抗変化素子では、フォーミング電圧が、メモリデバイスが供給可能な3.3Vを大きく超えてしまう。 However, as described above, in the variable resistance element made of a noble metal electrode, the forming voltage greatly exceeds 3.3 V that can be supplied by the memory device.
(2)遷移金属電極で構成された抵抗変化素子(Pt/NiO/Ni抵抗変化素子等)
このような問題に対して、本発明者は、対向する貴金属電極の一方を、遷移金属からなる電極(以下、遷移金属電極と呼ぶ)で置き換えることによって、フォーミング電圧及びリセット電流の双方が小さくなることを既に見出している。
(2) Variable resistance element composed of transition metal electrodes (Pt / NiO / Ni variable resistance element, etc.)
To solve such a problem, the present inventor replaces one of the opposing noble metal electrodes with an electrode made of a transition metal (hereinafter referred to as a transition metal electrode), thereby reducing both the forming voltage and the reset current. I have already found that.
Pt/NiO/Ni抵抗変化素子では、最初から電流パスが形成されておりフォーミング自体が不要な場合が多い。電流パスが形成されておらずフォーミングの必要な場合であっても、フォーミング電圧は2〜3V程度と低く、リセット電流も約1mAと小さい。 In the Pt / NiO / Ni variable resistance element, a current path is formed from the beginning, and forming itself is often unnecessary. Even if a current path is not formed and forming is necessary, the forming voltage is as low as about 2 to 3 V, and the reset current is as low as about 1 mA.
図16は、抵抗変化メモリ(ReRAM)に於けるPt/NiO/Ni抵抗変化素子及びその周辺の断面図である。Pt/NiO/Ni抵抗変化素子101の構成は、下部電極102bがPtではなくNi(遷移金属)で構成されている点を除き、図11に示したPt/NiO/Pt抵抗変化素子と略同一である。
FIG. 16 is a cross-sectional view of a Pt / NiO / Ni resistance change element and its periphery in a resistance change memory (ReRAM). The configuration of the Pt / NiO / Ni resistance change element 101 is substantially the same as that of the Pt / NiO / Pt resistance change element shown in FIG. 11 except that the
尚、上部及び下部電極102a,102bの双方を遷移金属で構成することも考えられるが、このような構成では抵抗スイッチ効果は発現しない。
Although it is conceivable that both the upper and
(3)加工上の問題
しかし、このようなPt/NiO/Ni抵抗変化素子101には、以下に説明するとおり加工上の問題がある。
(3) Processing Problem However, such a Pt / NiO / Ni resistance change element 101 has a processing problem as described below.
図16のような構造を製造するためには、下地110の上に、TiN膜106、下部電極102bとなるNi膜、抵抗変化層105となるNiO、上部電極102aとなるPt膜、及びTiN膜108を順次堆積し、例えばフォトレジスト膜をエッチングマスクとして、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching; RIE)によって堆積膜をエッチングして、抵抗変化素子101を形成する必要がある。
In order to manufacture the structure as shown in FIG. 16, the
上記堆積膜のうちPt膜やNiO膜は、集積回路の製造に於いて広く用いられている、塩素系ガス(例えば、Cl2ガス)を反応性ガスとするRIEによって容易にエッチングすることができる。 Of the deposited films, the Pt film and the NiO film can be easily etched by RIE using a chlorine-based gas (for example, Cl 2 gas) as a reactive gas, which is widely used in the manufacture of integrated circuits. .
しかし、Ni等の遷移金属は反応性が乏しいため、塩素系ガスによるRIEのエッチング速度は遅い。しかも、側壁吸着物やコロージョン(腐食)が発生しやすい。 However, since transition metals such as Ni have poor reactivity, the etching rate of RIE using a chlorine-based gas is slow. Moreover, side wall adsorbate and corrosion (corrosion) are likely to occur.
このため、エッチング工程が長時間化し、更に加工精度が悪化する。更に、遷移金属電極の腐食による抵抗変化素子の電流―電圧特性の劣化が懸念される。以下、これらの問題について説明する。 For this reason, the etching process takes a long time, and the processing accuracy further deteriorates. Furthermore, there is a concern that the current-voltage characteristics of the resistance change element are deteriorated due to corrosion of the transition metal electrode. Hereinafter, these problems will be described.
図17は、Pt/NiO/Ni抵抗変化素子を、塩素系ガスによるRIEを用いて形成する工程を順次説明する図である。尚、ここでは説明を簡単にするために、TiN膜108及ぶTi膜106は省略されている。
FIG. 17 is a diagram for sequentially explaining the process of forming the Pt / NiO / Ni variable resistance element using RIE using a chlorine-based gas. Note that the
まず、基板126の上にPt膜128、NiO膜130、及びPt膜132からなるPt/NiO/Ni堆積膜を形成する(図17(a))。
First, a Pt / NiO / Ni deposited film composed of a
次に、フォトレジスト膜からなる第1のエッチングマスク134を、この堆積膜の上に形成する(図17(b))。
Next, a
次に、塩素ガスによるRIEによって、第1のエッチングマスクで覆われていない領域のPt膜とNiO膜をエッチングする。その後、第1のエッチングマスク134を除去する(図18(c))。
Next, the Pt film and the NiO film in the region not covered with the first etching mask are etched by RIE using chlorine gas. Thereafter, the
次に、エッチングされずに残ったPt膜132とNiO膜130を覆うように、フォトレジスト膜からなる第2のエッチングマスク136を形成する(図18(d))。
Next, a
次に、塩素ガスを反応ガスとするRIEによって、第2のエッチングマスクで覆われていないNi膜をエッチングする。その後、第2のエッチングマスクを除去する(図17(e))。 Next, the Ni film not covered with the second etching mask is etched by RIE using chlorine gas as a reaction gas. Thereafter, the second etching mask is removed (FIG. 17E).
このように、Ni膜128のエッチングは、Pt膜132及びNiO膜130をエッチングした後、第1のエッチングマスク134を除去し、改めて第2のエッチングマスクを形成してから行う。これは、エッチング速度の遅いNi膜128のエッチングに長時間が費やされるため、Pt膜132及びNiO膜130に対するRIEでダメージを受けた第1のエッチングマスク134が、その後のNi膜128に対するRIEに耐えられないからである。
As described above, the
このように、遷移金属によって一方の電極が構成された抵抗変化素子を加工するためには、エッチングマスクの形成とRIEを2度繰り返さなければならない。このため、エッチング工程が長時間化する。 Thus, in order to process the resistance change element in which one electrode is constituted by the transition metal, the formation of the etching mask and RIE must be repeated twice. For this reason, the etching process takes a long time.
図19は、上記エッチング工程によって、形成された抵抗変化素子の状態を表した平面図である。Ni膜の側壁には吸着物が形成されて残渣142となり、時に側壁から剥がれて下地110の表面に付着する。このような側壁吸着物は、加工精度を悪化させる原因となる。
FIG. 19 is a plan view showing the state of the resistance change element formed by the etching process. An adsorbate is formed on the side wall of the Ni film to form a
また、図19に示すようにNi膜128からなる下部電極は塩素によって腐食され、腐食痕144が発生する。このような腐食は、RIE中に基板126の表面に吸着した塩素系の反応ガス140が、第2のレジストマスク136の除去後、露出したNi膜128の表面に拡散して生じるものである(図18(e)参照)。
Further, as shown in FIG. 19, the lower electrode made of the
このような腐食は、Ni膜128からなる下部電極の電気特性や、Ni下部電極/NiO遷移金属酸化物界面の性質が変化させる。従って、抵抗変化素子の電流―電圧特性の劣化が懸念される。
Such corrosion changes the electrical characteristics of the lower electrode made of the
そこで、発明の目的は、このような反応性イオンエッチングに伴う諸問題を解消した抵抗変化メモリ装置(ReRAM)の製造方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a resistance change memory device (ReRAM) in which various problems associated with such reactive ion etching are solved.
(第1の側面)
上記の目的を達成するために、本発明の第1の側面は、第1の電極と、遷移金属からなる第2の電極と、第1の電極と第2の電極の間に配置された、前記遷移金属の酸化物からなる抵抗変化素子を具備し、前記抵抗変化素子の可逆的且つ不揮発性の抵抗変化を利用する抵抗変化メモリ装置の製造方法において、前記第1の電極と、前記第1の電極の上に積層された前記酸化物からなる積層体を、下地の上に形成する第1の工程と、前記酸化物を還元して前記第2の電極を形成する第2の工程を具備することを特徴とする。
(First side)
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention provides a first electrode, a second electrode made of a transition metal, and the first electrode and the second electrode, In the method of manufacturing a resistance change memory device including the resistance change element made of the transition metal oxide and using the reversible and nonvolatile resistance change of the resistance change element, the first electrode and the first electrode A first step of forming a stacked body made of the oxide stacked on the electrode on a base, and a second step of forming the second electrode by reducing the oxide. It is characterized by doing.
第1の側面によれば、第1の電極の上に積層された遷移金属酸化物を還元して、遷移金属からなる第2の電極を形成するので、反応性イオンエッチングで遷移金属を加工することによって生じる主な問題(エッチング工程の長時間化及び加工精度の悪化)を解消することができる。 According to the first aspect, since the transition metal oxide stacked on the first electrode is reduced to form the second electrode made of the transition metal, the transition metal is processed by reactive ion etching. The main problems caused by this (longer etching process and worsening of processing accuracy) can be solved.
(第2の側面)
本発明の第2の側面は、第1の側面において、前記第2の工程が、水素及びアンモニアの何れか一方又は双方を還元ガスとして、前記酸化物を還元して前記第2の電極を形成する工程であることを特徴とする。
(Second aspect)
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the second step forms the second electrode by reducing the oxide using one or both of hydrogen and ammonia as a reducing gas. It is a process to perform.
第2の側面によれば、容易に遷移金属酸化物を還元することができる。 According to the second aspect, the transition metal oxide can be easily reduced.
(第3の側面)
本発明の第3の側面は、第1又は第2の側面において、前記第2の工程が、前記下地の上に絶縁膜を形成して、前記積層体を埋め込む第3の工程と、前記絶縁膜に、前記酸化物に達するコンタクトホールを形成する第4の工程と、前記コンタクトホールの底に露出した前記酸化物を還元して、前記第2の電極を形成する第5の工程からなることを特徴とする。
(Third aspect)
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the second step includes a third step of forming an insulating film on the base and embedding the stacked body, and the insulation. A fourth step of forming a contact hole reaching the oxide in the film; and a fifth step of forming the second electrode by reducing the oxide exposed at the bottom of the contact hole. It is characterized by.
第3の側面では、下地の上に絶縁膜を形成してから、酸化物(遷移金属酸化物)の表面を還元して第2の電極(遷移金属電極)が形成する。このため、RIEに用いた反応ガスが上記絶縁膜によって閉じ込められるので、第2の電極(遷移金属電極)が腐食されることはない。従って、抵抗変化メモリ装置の電流―電圧特性が劣化することはない。 In the third aspect, after forming an insulating film on the base, the surface of the oxide (transition metal oxide) is reduced to form the second electrode (transition metal electrode). For this reason, since the reactive gas used for RIE is confined by the insulating film, the second electrode (transition metal electrode) is not corroded. Therefore, the current-voltage characteristic of the resistance change memory device does not deteriorate.
(第4の側面)
本発明の第4の側面は、第1乃至第3の側面において、前記遷移金属が、ニッケルであることを特徴とする。
(Fourth aspect)
According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects, the transition metal is nickel.
(第5の側面)
本発明の第5の側面は、第1乃至第4の側面において、前記第2の電極が接地され、前記第1の電極は、ゲートがワード線に接続されたトランジスタを介して、正電位が印加されるビットラインに接続されていることを特徴とする。
(5th side)
According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects, the second electrode is grounded, and the first electrode has a positive potential via a transistor whose gate is connected to a word line. It is connected to a bit line to be applied.
本発明によれば、抵抗変化層を構成する遷移金属酸化物の上部を還元して、遷移金属電極を形成するので、反応性イオンエッチングで遷移金属を加工することによって生じる問題(エッチング工程の長時間化及び加工精度の悪化)を解消することができる。 According to the present invention, the upper part of the transition metal oxide constituting the variable resistance layer is reduced to form the transition metal electrode, so that the problem caused by processing the transition metal by reactive ion etching (the length of the etching process) Time and deterioration of processing accuracy) can be eliminated.
また、本発明では、下地に吸着したRIE用の反応ガスを絶縁膜で閉じ込めたから、抵抗変化層となる遷移金属酸化物の一部を還元するので、遷移金属電極が腐食されることはない。従って、遷移金属電極が腐食されて、抵抗変化メモリ装置の電流―電圧特性の劣化が劣化する虞もない。 In the present invention, since the reactive gas for RIE adsorbed on the base is confined by the insulating film, a part of the transition metal oxide serving as the resistance change layer is reduced, so that the transition metal electrode is not corroded. Accordingly, there is no possibility that the transition metal electrode is corroded and the current-voltage characteristics of the resistance change memory device are deteriorated.
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。なお、図面が異なっても対応する部分には同一符号を付し、その説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof. Note that even if the drawings are different, corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
(実施の形態例1)
本実施の形態例では、例えば貴金属(Pt等)からなる第1の電極(下部電極)の上に積層された遷移金属酸化物(例えばNiO)を還元して、遷移金属からなる第2の電極(上部電極)を形成するので、反応性イオンエッチングで遷移金属を加工することによって生じる主な問題(エッチング工程の長時間化及び加工精度の悪化)が解消される。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, for example, a transition metal oxide (for example, NiO) stacked on a first electrode (lower electrode) made of a noble metal (Pt or the like) is reduced to form a second electrode made of a transition metal. Since the (upper electrode) is formed, main problems (longer etching process and deterioration in processing accuracy) caused by processing the transition metal by reactive ion etching are solved.
(1)素子構造(抵抗変化素子)
図1は、本実施の形態例によって製造される抵抗変化メモリ装置(ReRAM)を構成する抵抗変化素子2とその近傍の構成を示す断面図である。
(1) Element structure (resistance change element)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a
本実施の形態例によって製造される抵抗変化メモリ装置(ReRAM)は、例えば貴金属からなる第1の電極(下部電極)4と、遷移金属からなる第2の電極(上部電極)6と、第1の電極4と第2の電極6の間に配置された上記遷移金属の酸化物(遷移金属酸化物)8からなる抵抗変化素子2を具備し、この抵抗変化素子2の可逆的且つ不揮発性の抵抗変化を利用する抵抗変化メモリ装置(ReRAM)である。
The resistance change memory device (ReRAM) manufactured according to the present embodiment includes, for example, a first electrode (lower electrode) 4 made of a noble metal, a second electrode (upper electrode) 6 made of a transition metal, and a first The
(2)製造方法
図2は、本実施の形態例に係る抵抗変化素子の製造方法を順次説明する図である。
(2) Manufacturing Method FIG. 2 is a diagram for sequentially explaining a method of manufacturing a resistance change element according to this embodiment.
本実施の形態例に係る製造方法では、先ず、第1の電極(下部電極)4と、第1の電極(下部電極)4の上に積層された酸化物(遷移金属酸化物)8からなる積層体16を、例えば絶縁膜(SiO2等)からなる下地62の上に形成する(第1の工程;図2(a))。
In the manufacturing method according to this embodiment, first, a first electrode (lower electrode) 4 and an oxide (transition metal oxide) 8 stacked on the first electrode (lower electrode) 4 are formed. The
次に、この酸化物(遷移金属酸化物)8を還元して第2の電極(上部電極)6を形成する(第2の工程;図2(b))。図2(b)に示した例では遷移金属酸化物8の上面の一部のみが還元されているが、遷移金属酸化物8の上面全体を還元してもよい。
Next, the oxide (transition metal oxide) 8 is reduced to form a second electrode (upper electrode) 6 (second step; FIG. 2B). In the example shown in FIG. 2B, only a part of the upper surface of the
ここで、酸化物(遷移金属酸化物)8の還元は、例えば、水素(H2)及びアンモニア(NH3)の何れか一方又は双方を還元ガスとして、これらの還元ガスをプラズマ化して行うことができる。或いは、酸化物(遷移金属酸化物)8の形成された基板を高温に加熱して、これらの還元ガスと反応させてもよい。その際、還元処理を行わない遷移金属酸化物8の領域は、その表面をSiO2膜等で被覆しておく。
Here, the reduction of the oxide (transition metal oxide) 8 is performed by, for example, converting one or both of hydrogen (H 2 ) and ammonia (NH 3 ) into a reducing gas and converting these reducing gases into plasma. Can do. Alternatively, the substrate on which the oxide (transition metal oxide) 8 is formed may be heated to a high temperature and reacted with these reducing gases. At that time, the region of the
尚、図1に示された抵抗変化素子2では、第1の電極(下部電極)4が、Ti膜106を介して下地62の上に形成されている。しかし、Ti膜106は、下地62と第1の電極(下部電極)4の密着をよくするためのものであり必須ではない。図2に示された例は、Ti膜106は用いない場合の製造方法である。
In the
遷移金属酸化物104としては、NiO以外にも、例えばTiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO及びNb2O5からなる群から選択された何れかの遷移金属酸化物を利用することもできる。
In addition to NiO, for example, any transition metal oxide selected from the group consisting of TiO 2 , HfO, ZrO, ZnO, WO 3 , CoO, and Nb 2 O 5 may be used as the
(3)効果
このように、本実施の形態例では、酸化物(遷移金属酸化物)8の表面を還元処理することによって、第2の電極6すなわち遷移金属電極が形成される。従って、遷移金属をRIEによってエッチングして、遷移金属電極を形成する工程は不要である。このため、本実施の形態例によれば、遷移金属電極を反応性イオンエッチングで加工することによって生じる問題(エッチング工程の長時間化及び加工精度の悪化)は解消される。
(3) Effects As described above, in the present embodiment, the
(実施の形態例2)
本実施の形態例では、下地62の上に絶縁膜を形成して積層体16を埋め込んでから、酸化物(遷移金属酸化物)8の表面を還元して第2の電極(遷移金属電極)が形成するので、反応性イオンエッチングで遷移金属を加工することによって生じる上記問題(エッチング工程の長時間化、加工精度の悪化、及び電流―電圧特性の劣化)が全て解消される。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an insulating film is formed on the
(1)素子構造(抵抗変化素子)
本実施の形態例によって製造される抵抗変化メモリ装置(ReRAM)を構成する抵抗変化素子2とその近傍の構成は、実施の形態例1で説明した構成と同じである(図1参照)。
(1) Element structure (resistance change element)
The
(2)製造方法
本実施の形態例に係る製造方法は、実施の形態例1の製造工程を全て備えている。但し、本実施の形態例に係る製造方法では、実施の形態例1に於ける第2の工程がより具体化されている。
(2) Manufacturing Method The manufacturing method according to the present embodiment includes all the manufacturing steps of the first embodiment. However, in the manufacturing method according to the present embodiment, the second step in the first embodiment is more concrete.
図3は、本実施の形態例に係る抵抗変化メモリ装置(ReRAM)の製造方法を示したものである。 FIG. 3 shows a method of manufacturing a resistance change memory device (ReRAM) according to this embodiment.
本実施の形態例では、先ず、第1の電極(下部電極)4と、第1の電極(下部電極)4の上に積層された酸化物(遷移金属酸化物)8からなる積層体16を、例えば二酸化ケイ素(SiO2)からなる下地62の上に形成する(図3(a))。
In this embodiment, first, a
ここで、積層体16は、例えば、貴金属膜と遷移金属酸化物膜を下地62の上に堆積し、貴金属膜と遷移金属酸化膜からなる積層構造を、エッチングマスクを用い塩素ガスを反応ガスとしてRIEによってエッチングして形成する。
Here, the
次に、下地62の上に絶縁膜12を形成して、上記積層体16を埋め込む(図3(b))。
Next, the insulating
次に、絶縁膜12に、酸化物(遷移金属酸化物)8に達するコンタクトホール14を形成する(図3(c))。
Next, a
次に、コンタクトホール14の底に露出した酸化物(遷移金属酸化物)8を還元して、第2の電極(上部電極)6を形成する(図3(d))。
Next, the oxide (transition metal oxide) 8 exposed at the bottom of the
尚、コンタクトホールを形成せずに、酸化物(遷移金属酸化物)8の表面全体が露出するまで絶縁膜12をCMP(Chemical Mechanical Polishing :化学的機械研磨)法で研磨してから、酸化物(遷移金属酸化物)8を還元してもよい。
The insulating
(3)効果
このように、本実施の形態例では、実施の形態例1と同様、酸化物(遷移金属酸化物)8の表面を還元処理することによって、第2の電極すなわち遷移金属電極が形成される。従って、遷移金属電極を反応性イオンエッチングで加工することによって生じる主な問題(エッチング工程の長時間化及び加工精度の悪化)が解消される。
(3) Effect As described above, in the present embodiment, the second electrode, that is, the transition metal electrode is formed by reducing the surface of the oxide (transition metal oxide) 8 as in the first embodiment. It is formed. Therefore, main problems (longer etching process and worsening of processing accuracy) caused by processing the transition metal electrode by reactive ion etching are solved.
更に、本実施の形態例では、下地62の上に絶縁膜12を形成してから、酸化物(遷移金属酸化物)8の表面を還元処理して第2の電極(遷移金属電極)6を形成する。
Furthermore, in this embodiment, after the insulating
従って、第1の電極(下部電極)4と酸化物遷移金属酸化物8からなる積層体16を、塩素系の反応ガスを用いたRIEによって形成しても、下地62の表面に残留する反応ガス(塩素等)140は絶縁膜12によって閉じ込めらたままで拡散することはない。このため、残留反応ガス(塩素等)140によって第2の電極(遷移金属電極)が腐食されることはない。故に、抵抗変化素子2の電流―電圧特性が劣化する虞はない。
Therefore, even if the
すなわち、本実施の形態例によれば、反応性イオンエッチングで遷移金属を加工することによって生じる問題(エッチング工程の長時間化、加工精度の悪化、及び電流―電圧特性の劣化)が全て解消される。 That is, according to the present embodiment, all the problems caused by processing the transition metal by reactive ion etching (long etching process, deterioration of processing accuracy, and current-voltage characteristic deterioration) are all solved. The
本実施例は、遷移金属電極を反応性イオンエッチングで加工することによって生じる上記問題を解消する抵抗変化メモリ装置(ReRAM)の製造方法に係るものである。 The present embodiment relates to a method of manufacturing a resistance change memory device (ReRAM) that solves the above-described problems caused by processing a transition metal electrode by reactive ion etching.
本実施の形態例に係る製造方法では、下地62の上に絶縁膜12を形成してから、第1の電極(下部電極;Pt電極)4の上に積層された遷移金属酸化物(NiO)8を還元して、第2の電極(上部電極;Ni電極)6を形成する。従って、反応性イオンエッチングで遷移金属を加工することによって生じる問題(エッチング工程の長時間化、加工精度の悪化、及び電流―電圧特性の劣化)が全て解消される。
In the manufacturing method according to the present embodiment, the transition metal oxide (NiO) laminated on the first electrode (lower electrode; Pt electrode) 4 after the insulating
(1)装置構成
図4は、本実施例に於いて製造される抵抗変化メモリ装置(ReRAM)を構成するメモリセル18の断面図である。
(1) Device Configuration FIG. 4 is a cross-sectional view of a
本実施例に於ける抵抗変化メモリ装置(ReRAM)は、p型の半導体基板10に形成される。この半導体基板10は、SiO2で埋め込まれたトレンチ20によって複数の素子領域22に分離されている。
The resistance change memory device (ReRAM) in this embodiment is formed on a p-
この素子領域22の上に、ゲート絶縁膜24を介して2本のゲート電極26が形成されている。これらのゲート電極26は相互に平行に配置されている。また、これらのゲート電極26の両側には、素子領域22の表面にn型の不純物を高濃度に導入して形成されたn型不純物領域28a,28bが配置され、ゲート電極26とともに選択トランジスタT(nチャネルMOS FET)が形成されている。
Two
なお、n型不純物領域28aはゲート電極26とトレンチ20との間に配置された不純物領域(ソース)であり、n型不純物領域28bは2つのゲート電極26の間に配置された不純物領域(ドレイン)である。
The n-
この図4に示すように、本実施例では、n型不純物領域28bを2つの選択トランジスタTに共通の不純物領域としている。
As shown in FIG. 4, in this embodiment, the n-
これらの選択トランジスタTは、半導体基板10上に形成された第1の層間絶縁膜30に覆われている。この第1の層間絶縁膜30には、その上面からn型不純物領域28a,28bに到達するコンタクトホール内にW(タングステン)を充填して形成された第1及び2のWプラグ32a,32bが設けられている。第1のWプラグ32aはn型不純物領域28aに接続しており、第2のWプラグ32bはn型不純物領域28bに接続している。
These select transistors T are covered with a first
第1の層間絶縁膜30の上には、Ptからなる第1の電極(下部電極)4と、Niからなる第2の電極(上部電極)6と、第1の電極(下部電極)4と第2の電極(上部電極)6の間に配置されたNiOからなる遷移金属酸化物8によって構成された抵抗変化素子2が設けられている。ここで、NiOの代わりに、NiOx(xは正の数;0<x≦1)を用いてもよい。
On the first
この抵抗変化素子2は、Ti膜106を介して第1のWプラグ32aの上に配置されている。そして、第1の電極(下部電極)4は、Ti膜106及び第1のWプラグ32aを介して、n型不純物領域28aに電気的に接続している。尚、Ti膜106により、第1の層間絶縁膜30と第1の電極(下部電極)4との密着性が向上するとともに、第1のWプラグ32aと第1の電極(下部電極)4との電気的接続性も向上する。
The
第1の層間絶縁膜30の上には第2の層間絶縁膜34が形成されており、抵抗変化素子2とTi膜106が第2の層間絶縁膜34で覆われている。この第2の層間絶縁膜34には、その上面から第2のWプラグ32bに到達するコンタクトホール内にWを充填して形成された第3のWプラグ36が設けられている。
A second
第2の層間絶縁膜34には、更に、その上面から抵抗変化素子2の第2の電極(上部電極)6に到達するコンタクトホール内にWを充填して形成された第4のWプラグ38が設けられている。第2の層間絶縁膜34の上にはパッド40及び第1の配線42が形成されている。パッド40は第3のWプラグ36の上に配置されている。ここで、第1の配線42は第4のWプラグ38の上を通り、第4のWプラグ38を介して抵抗変化素子2の第2の電極(上部電極)6に電気的に接続している。
The second
第2の層間絶縁膜34の上には第3の層間絶縁膜44が形成されており、パッド40及び第1の配線42は、この第3の層間絶縁膜44に覆われている。この第4の層間絶縁膜44には、その上面からパッド40に到達するコンタクトホール内にWを充填して形成された第5のWプラグ46が設けられている。ここで、第2の配線48は、第5のWプラグ46の上に配置され、第5のWプラグ46、パッド40、第3のプラグ36、及び第2のプラグ32bを介してn型不純物領域28bと電気的に接続している。
A third
このように構成された抵抗変化メモリ(ReRAM)において、第2の配線48はビットライン、選択トランジスタTのゲート電極26はワードライン、第1の配線42は接地ラインとなる。
In the resistance change memory (ReRAM) configured as described above, the
(2)動作
抵抗変化素子2をセットするときには、選択トランジスタTをオン状態にして、第1の電極(下部電極)4に、第2の配線48(ビットライン)から、セット電圧より大きい第1の電圧パルス(正電圧パルス)を印加する。
(2) Operation When the
この第1の電圧パルスの印加によって抵抗変化素子2は低抵抗状態になるので、このままでは抵抗変化素子2に過大な電流が流れてしまう。そこで、抵抗変化メモリ(ReRAM)の周辺回路にリミッタを設け、抵抗変化素子2に流れる電流を所定の値以下に制限している。
Since the
また、抵抗変化素子2をリセットするときも、選択トランジスタTをオン状態にして、第1の電極(下部電極)4に、第2の配線48(ビットライン)をから、リセット電流を流すのには十分であるがセット電圧よりは小さい第2の電圧パルス(正電圧パルス)を印加する。
Also, when resetting the
抵抗変化素子2の抵抗状態を検出するときには、選択トランジスタTをオン状態にして第2の配線(ビットライン)48と第1の配線42(接地ライン)との間に、リセット電流が流れない小さな第3の電圧を印加して、第2の配線48(ビットライン)に流れる電流の大小を検出する。
When the resistance state of the
ここで、第1及び第2の電圧パルスの極性並びに第3の電圧の符号は正であり、第2の電圧パルス(リセット用の電圧)の高さは、第3の電圧(抵抗状態の検出用電圧)の高さより高い。また、第1の電圧(セット用の電圧)の高さは、第2の電圧(リセット用の電圧)の高さより高い。 Here, the polarity of the first and second voltage pulses and the sign of the third voltage are positive, and the height of the second voltage pulse (reset voltage) is the third voltage (resistance state detection). Higher than the voltage). The height of the first voltage (setting voltage) is higher than the height of the second voltage (resetting voltage).
ところで、上記説明から明らかなように、貴金属からなる第1の電極(下部電極)4の電位は、遷移金属からなる第2の電極(上部電極)6に対して正の電位が印加される。このようにすることよって、抵抗変化素子2は安定に動作する(貴金属電極に、遷移金属電極に対して負の電位を印加すると、セット及びリセットが不安定になる。)。
As is clear from the above description, a positive potential is applied to the first electrode (lower electrode) 4 made of a noble metal with respect to the second electrode (upper electrode) 6 made of a transition metal. By doing so, the
(3)製造方法
図5〜図8は、上述した抵抗変化メモリ装置(ReRAM)の製造方法を工程順に示す断面図である。通常、半導体基板上にはメモリセルと同時に周辺回路(書き込み回路及び読み出し回路等)を構成するが、ここではそれらは省略されている。
(3) Manufacturing method
5 to 8 are cross-sectional views showing the method of manufacturing the resistance change memory device (ReRAM) described above in the order of steps. Normally, peripheral circuits (such as a writing circuit and a reading circuit) are formed on a semiconductor substrate simultaneously with the memory cells, but these are omitted here.
(i)図5(a)に示す構造
まず、図5(a)に示す構造を形成するまでの工程を説明する。図5(a)に示すように、p型の半導体基板(シリコン基板)10の所定の領域に、公知のSTI(Shallow Trench Isolation)法によりSiO2で埋め込まれたトレンチ20を形成し、これらのトレンチ20により半導体基板10の表面を複数の素子領域22に分離する。
(I) Structure shown in FIG. 5A First, steps required until a structure shown in FIG. As shown in FIG. 5A,
次に、素子領域22の表面を熱酸化して、ゲート絶縁膜24を形成する。その後、CVD(Chemical Vapor Deposition )法により、半導体基板10の上側全面にポリシリコン膜を形成し、このポリシリコン膜をフォトリソグラフィ法及びエッチング法によりパターニングして、ゲート電極26を形成する。このとき、図5(a)に示すように、1つの素子領域22の上にワードラインとなる2本のゲート電極26が相互に平行に配置される。
Next, the surface of the
次に、ゲート電極26をマスクとし、素子領域22にリン(P)等のn型不純物を低濃度にイオン注入して、n型の低濃度不純物領域(図示せず)を形成する。
Next, using the
次に、ゲート電極26の両側にサイドウォール(図示せず)を形成する。このサイドウォールは、CVD法により半導体基板10の上側全面にSiO2又はSiN等からなる絶縁膜を形成した後、その絶縁膜をエッチバックしてゲート電極26の両側のみに残すことにより形成される。
Next, sidewalls (not shown) are formed on both sides of the
その後、ゲート電極26及びサイドウォールをマスクとして素子領域22にn型不純物を高濃度にイオン注入し、n型の高濃度不純物領域(図示せず)を形成する。
Thereafter, n-type impurities are ion-implanted at a high concentration into the
このようにして、低濃度不純物領域と高濃度不純物領域からなり、低濃度不純物領域がゲート絶縁膜24直下のチャネル領域に接すn型不純物領域28a,28bが形成される。すなわち、各トランジスタ形成領域に、LDD(Lightly Doped Drain)構造のソース/ドレインを有するトランジスタTが形成される。
In this manner, n-
(ii)図5(b)に示す構造
次に、図5(b)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。上述の工程によりトランジスタTを形成した後、CVD法により、半導体基板10の上側全面に、第1の層間絶縁膜30として例えばSiO2膜を形成し、この層間絶縁膜30によりトランジスタTを覆う。その後、第1の層間絶縁膜30の表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing :化学的機械研磨)法により研磨して平坦化する。
(Ii) Structure shown in FIG. 5B Next, steps required until the structure shown in FIG. After the transistor T is formed by the above-described process, for example, a SiO 2 film is formed as the first
次に、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を使用して、第1の層間絶縁膜30の上面からn型不純物領域28a,28bに到達するコンタクトホールを形成する。そして、スパッタ法により、半導体基板10の上側全面にバリアメタルとしてTiN膜(図示せず)を形成した後、スパッタ法又はCVD法によりTiN膜の上にW膜を形成するとともに、コンタクトホール内にWを充填する。その後、第1の層間絶縁膜30が露出するまでW膜及びTiN膜をCMP法により研磨する。このようにして、コンタクトホール内にWが充填されてなる第1及び2のWプラグ32a,32bが形成される。ここで、第1のWプラグ32aはn型不純物領域28aに接続したプラグであり、第2のWプラグ32bはn型不純物領域28bに接続したプラグである。
Next, contact holes reaching the n-
(iii)図5(c)に示す構造
次に、図5(c)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。
(Iii) Structure shown in FIG. 5C Next, steps required until the structure shown in FIG.
上述の工程により第1及び2のWプラグ32a,32bを形成した後、スパッタ法により第1の層間絶縁膜30及び第1及び2のWプラグ32a,32bの上に、スパッタ法によりTi膜52を例えば20nmの厚さに形成する。
After the first and second W plugs 32a and 32b are formed by the above-described steps, the
その後、スパッタ法により、図5(c)に示すようにTi膜52の上に第1の電極(下部電極)4となるPt膜54、抵抗変化層105(遷移金属酸化物8)となるNiO膜56を順次形成する。Pt膜54の厚さは例えば50nm、NiO膜56の厚さは例えば100nmである。
Thereafter, by sputtering, as shown in FIG. 5C, a
尚、NiOの代わりに、NiOx(xは正の数;0<x≦1)を形成してもよい。 Note that NiO x (x is a positive number; 0 <x ≦ 1) may be formed instead of NiO.
(iv)図6(a)〜(c)に示す構造
次に、図6(a)〜(c)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。
(Iv) Structure shown in FIGS. 6A to 6C Next, steps required until the structure shown in FIGS. 6A to 6C is formed will be described.
上述の工程により形成されたTi膜52、Pt膜54、及びNiO膜56からなるNiO/Pt/Ti積層構造58の表面に、フォトレジスト膜からなるエッチングマスク(図示せず)を形成する。このエッチングマスクを用いて、塩素ガスを反応ガスとするRIEによって、NiO/Pt/Ti積層構造58をエッチングする。 このようにして、Ptからなる第1の電極(下部電極)4と、第1の電極(下部電極)4の上に積層された遷移金属酸化物8(NiO)からなる積層体16が、第1の層間絶縁膜30からなる下地62の上に形成される。
An etching mask (not shown) made of a photoresist film is formed on the surface of the NiO / Pt / Ti laminated
次に、CVD法により、図6(b)に示すように、第1の層間絶縁膜30からなる下地62の上に、第2の層間絶縁膜34となる絶縁膜12(例えば、SiO2)を形成して、積層体16を埋め込む。
Next, as shown in FIG. 6B, the insulating film 12 (for example, SiO 2 ) to be the second
次に、図6(c)に示すように、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を使用して絶縁膜12の上面から積層体16に達するコンタクトホール64aを形成する。同時に、第2のWプラグ32bに達するコンタクトホール64bを形成する。
Next, as shown in FIG. 6C, a
(v)図7(a)に示す構造(還元処理) 次に、図7(a)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。 (V) Structure shown in FIG. 7A (reduction process) Next, steps required until the structure shown in FIG.
上述の工程により形成されたコンタクトホール64aの底に露出した遷移金属酸化物8(NiO)を還元して、Niからなる第2の電極(上部電極)6を形成する。この還元処理によって、Ptからなる第1の電極(下部電極)4と、Niからなる第2の電極(上部電極)6と、NiOからなる遷移金属酸化物8によって構成される抵抗変化素子2が形成される。
The transition metal oxide 8 (NiO) exposed at the bottom of the
還元処理は、アンモニアガス(NH3)から生成したプラズマに、コンタクトホール64aの底に露出した遷移金属酸化物8(NiO)を曝すことによって行う。
The reduction process is performed by exposing the transition metal oxide 8 (NiO) exposed at the bottom of the
プラズマは、流速100cc/minのアンモニアガスをプラズマ生成装置(図示せず)に供給し、その圧力を5Paに保った状態で400Wの高周波(RF;Radio Frequency)電力をプラズマ生成装置に入力して生成する。 The plasma is supplied with ammonia gas at a flow rate of 100 cc / min to a plasma generator (not shown), and 400 W radio frequency (RF) power is input to the plasma generator while maintaining the pressure at 5 Pa. Generate.
図6(c)に示す構造が形成された半導体基板10を、このプラズマ生成装置内で350℃に加熱し、生成したアンモニアプラズマに1分間曝する。すると、遷移金属酸化物8(NiO)が還元されてNiが形成される。
The
上記処理条件は1例であり、第2の電極(上部電極)6を形成するための還元処理は、必ずしもこのような条件で行わなくてもよい。表1は、NiOからなる遷移金属酸化物8の還元処理の条件を例示したものである。表1には、基板温度、プラズマ生成用のガスの種類とその供給速度、プラズマ生成用のガスの圧力、プラズマ生成装置に入力する高周波電力(RF電力)、及び処理時間が示されている。
The above processing conditions are an example, and the reduction process for forming the second electrode (upper electrode) 6 does not necessarily have to be performed under such conditions. Table 1 illustrates the conditions for the reduction treatment of the
表1中の条件1は、上述した還元処理の条件である。条件2及び条件3は、プラズマ生成用のガスとして、それぞれ水素ガス(H2)及びアンモニア(NH3)ガスの混合ガスを用いた場合、並びに水素ガス(H2)と窒素(H2)ガスの混合ガスを用いた場合の処理条件である。
(v)図7(b)に示す構造
次に、図7(b)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。
(V) Structure shown in FIG. 7B Next, steps required until the structure shown in FIG.
上述の工程により抵抗変化素子2を形成した後、半導体基板10の上側全面にバリアメタルとしてTiN膜(図示せず)を形成した後、スパッタ法又はCVD法によりバリアメタルの上にW膜を形成するとともに、コンタクトホール64a,64b内にWを充填する。
After the
その後、第2の層間絶縁膜34が露出するまでW膜及びTiN膜をCMP法により研磨する。このようにして、抵抗変化素子2の第2電極(上部電極)6に電気的に接続した第4のWプラグ38が形成される。この時、第2のWプラグ32bに電気的に接続する第3のWプラグ36も同時に形成される。
Thereafter, the W film and the TiN film are polished by CMP until the second
(vi)図8(a)に示す構造の形成
次に、図8(a)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。
(Vi) Formation of the structure shown in FIG. 8A Next, steps required until the structure shown in FIG.
上述の工程により第3及び第4のWプラグ36,38を形成した後、スパッタ法により第2の層間絶縁膜34及びWプラグ36,38の上にアルミニウム又は銅等の金属により構成される導電膜を形成する。そして、この導電膜をフォトリソグラフィ法及びエッチング法によりパターニングして、パッド40及び第1の配線(接地ライン)42を形成する。パッド40は第3のWプラグ36の上に形成され、第3のWプラグ36と電気的に接続される。また、第1の配線42は第4のWプラグ38の上を通り、第4のWプラグ38と電気的に接続される。
After the third and fourth W plugs 36 and 38 are formed by the above-described process, the conductive layer made of a metal such as aluminum or copper is formed on the second
(vii)図8(b)に示す構造
図8(b)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。上述の工程によりパッド40及び第1の配線42を形成した後、CVD法により半導体基板10の上側全面にSiO2からなる第4の層間絶縁膜44を形成する。そして、この第4の層間絶縁膜44をCMP法により研磨して表面を平坦化した後、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を使用して、第4の層間絶縁膜44の上面からパッド40に到達するコンタクトホールを形成する。
(Vii) Structure shown in FIG. 8 (b) Processes until the structure shown in FIG. 8 (b) is formed will be described. After the
その後、スパッタ法により、半導体基板10の上側全面にバリアメタルとしてTiN膜(図示せず)を形成した後、スパッタ法又はCVD法によりTiN膜の上にW膜を形成するとともに、コンタクトホール内にWを充填する。次いで、第4の層間絶縁膜44が露出するまでW膜及びTiN膜をCMP法により研磨する。このようにして、コンタクトホール内にWが充填されてなる第5のWプラグ46が形成される。
Thereafter, a TiN film (not shown) is formed as a barrier metal on the entire upper surface of the
次に、スパッタ法により、第4の層間絶縁膜44及び第5のWプラグ46の上に例えばTiN/Al/TiN/Tiの積層構造の導電膜(図示せず)を形成する。そして、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を使用して導電膜をパターニングして、図8(b)に示すように、第2の配線(ビットライン)48を形成する。このようにして、本実施例に係る抵抗変化メモリ装置(ReRAM)を製造することができる。
Next, a conductive film (not shown) having a laminated structure of, for example, TiN / Al / TiN / Ti is formed on the fourth
(viii)効果
本実施例では、上記「(v)図7(a)に示す構造(還元処理)」に示したように、Niからなる遷移金属電極6を、NiOからなる遷移金属酸化物8を還元処理して形成する。従って、塩素系ガスを用いたRIEによって、エッチング速度の遅い遷移金属(Ni等)をエッチングする必要がないので、エッチング工程が長時間化したり、遷移金属電極8の加工精度が悪化したりすることはない。
(Viii) Effect In this example, as shown in the above “(v) structure shown in FIG. 7A (reduction treatment)”, the
また、下記「素子特性」に示すように、下地に残留した反応ガス(塩素等)によって遷移金属電極が腐食され、電流―電圧特性が劣化することもない。 Further, as shown in the following “element characteristics”, the transition metal electrode is not corroded by the reaction gas (such as chlorine) remaining on the base, and the current-voltage characteristics are not deteriorated.
(4)素子特性
以上のようにして形成した抵抗変化メモリ(ReRAM)を構成する抵抗変化素子の特性を説明する。
(4) Element Characteristics The characteristics of the resistance change element constituting the resistance change memory (ReRAM) formed as described above will be described.
図9は、上述した還元処理によってNiからなる遷移金属電極6を形成した抵抗変化素子2、すなわち本実施例に於ける抵抗変化素子の電流―電圧特性である。一方、図10には、比較例として、塩素を反応ガスとするRIEでNi膜をエッチングして遷移金属電極6を形成した抵抗変化素子(図16参照)の電流―電圧特性を示した。
FIG. 9 shows current-voltage characteristics of the
図9及び図10では共に、横軸(線形表示)は電圧であり、縦軸(対数表示)は電流である。ここで、r1,r2,r3は、それぞれ1回目、2回目、及び3回目の低抵抗状態から高抵抗状態への遷移(すなわち、リセット)を表す。また、s1,s2,s3は、それぞれ1回目、2回目、及び3回目の高抵抗状態から低抵抗状態への遷移(すなわち、セット)を表す。 In both FIG. 9 and FIG. 10, the horizontal axis (linear display) is voltage, and the vertical axis (log display) is current. Here, r1, r2, and r3 represent the first-time, second-time, and third-time transitions from the low-resistance state to the high-resistance state (that is, reset), respectively. Further, s1, s2, and s3 represent the first-time, second-time, and third-time transitions (ie, sets) from the high-resistance state to the low-resistance state, respectively.
本実施例及び比較例双方の抵抗変化素子で、最初から電流パスが形成されておりフォーミングが不要であった。また、リセット電流は、本実施例および比較例とも、1mA程度あった。 In both the variable resistance element of this example and the comparative example, a current path was formed from the beginning, and forming was unnecessary. Further, the reset current was about 1 mA in both of the present example and the comparative example.
一方、高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する電圧(セット電圧)は、比較例では1.7V前後であるが、本実施例では1.2V程度である。また、このセット電圧のバラツキも、比較例に比べ小さい。これは、本実施例では、RIEによって下地62に付着した反応ガス(塩素等)140が第2の層間絶縁膜34によって閉じ込められるので、遷移金属電極6が腐食されないためである。
On the other hand, the voltage (set voltage) for transition from the high resistance state to the low resistance state is about 1.7 V in the comparative example, but is about 1.2 V in the present embodiment. Further, the variation in the set voltage is smaller than that in the comparative example. This is because in this embodiment, the reaction gas (chlorine or the like) 140 attached to the
(5)動作電圧
本実施例に於ける抵抗変化素子(ReRAM)は、図9の電流―電圧特性に基づき、例えば、次のように動作させることができる。
(5) Operating Voltage The resistance change element (ReRAM) in this embodiment can be operated as follows based on the current-voltage characteristics of FIG.
(i)データ書込み
データの書き込みすなわち抵抗変化素子のセット及びリセットは、例えば次のように行う。
(I) Data writing Data writing, that is, setting and resetting of the resistance change element is performed as follows, for example.
まず、高抵抗状態から低抵抗状態への遷移(セット)には、例えば2Vの電圧パルスを抵抗変化素子に印加する。すると、高抵抗状態の抵抗変化素子は、図9のs1〜s3のように低抵抗状態に遷移する。このままでは、抵抗変化素子に大電流が流れてしまう。しかし、抵抗変化メモリ(ReRAM)の周辺回路に設けられたリミッタによって、抵抗変化素子に流れる電流は1mA以下、例えば0.8mAに制限される。 First, for the transition (set) from the high resistance state to the low resistance state, for example, a voltage pulse of 2 V is applied to the resistance change element. Then, the variable resistance element in the high resistance state transitions to the low resistance state as s1 to s3 in FIG. In this state, a large current flows through the variable resistance element. However, the limiter provided in the peripheral circuit of the resistance change memory (ReRAM) limits the current flowing through the resistance change element to 1 mA or less, for example, 0.8 mA.
一方、低抵抗状態から高抵抗状態への遷移(リセット)には、例えば1Vの電圧パルスを抵抗変化素子に印加する。すると、低抵抗状態の抵抗変化素子にはリセット電流が流れ、図9のr1〜r3のように高抵抗状態に遷移する。なお、セット及びリセットに用いられる電圧パルスの幅は、例えば100nsである。 On the other hand, for transition (reset) from the low resistance state to the high resistance state, for example, a voltage pulse of 1 V is applied to the resistance change element. Then, a reset current flows through the resistance change element in the low resistance state, and transitions to the high resistance state as r1 to r3 in FIG. Note that the width of the voltage pulse used for setting and resetting is, for example, 100 ns.
(ii)データ読出し
データの読み出しは、次のように行う。抵抗変化素子にリセット電流を流す電圧より低い電圧、例えば0.4Vを抵抗変化素子に印加して流れる電流を検出する。電流が殆ど流れなければ抵抗変化素子は高抵抗状態であると判定し、電流が流れれば低抵抗状態であると判定する。
(Ii) Data read Data is read as follows. A voltage that is lower than a voltage that causes a reset current to flow through the variable resistance element, for example, 0.4 V, is applied to the variable resistance element to detect a flowing current. If almost no current flows, the resistance change element is determined to be in a high resistance state, and if current flows, it is determined to be in a low resistance state.
そして、低抵抗状態であれば、例えばデータ“1”を読み出す。一方、高抵抗状態であれば、例えばデータ“0”を読み出す。 If the resistance state is low, for example, data “1” is read. On the other hand, if the resistance state is high, for example, data “0” is read.
なお、上述した実施の形態及び実施例は、本発明をスタック型の抵抗変化メモリ装置(ReRAM)に適用した例について説明したが、本発明はプレーナ型ReRAMに適用してもよい。 In the above-described embodiments and examples, the example in which the present invention is applied to a stacked resistance change memory device (ReRAM) has been described. However, the present invention may be applied to a planar type ReRAM.
本発明は、半導体装置の製造業、特に半導体メモリ装置の製造業で利用可能である。 The present invention can be used in the semiconductor device manufacturing industry, particularly in the semiconductor memory device manufacturing industry.
2・・・本発明に於ける抵抗変化素子 4・・・第1の電極(下部電極)
6・・・第2の電極(上部電極) 8・・・酸化物(遷移金属酸化物)
10・・・半導体基板 12・・・絶縁膜 14・・・コンタクトホール
16・・・積層体 18・・・メモリセル 20・・・トレンチ
22・・・素子領域 24・・・ゲート絶縁膜 26・・・ゲート電極
28a,28b・・・n型不純物領域 30・・・第1の層間絶縁膜
32a・・・第1のWプラグ 32b・・・第2のWプラグ
34・・・第2の層間絶縁膜 36・・・第3のWプラグ
38・・・第4のWプラグ 40・・・パッド
42・・・第1の配線(接地ライン) 44・・・第4の層間絶縁膜
46・・・第5のWプラグ 48・・・第2の配線(ビットライン)
52・・・Ti膜 54・・・Pt膜 56・・・NiO膜
58・・・NiO/Pt/Ti積層構造 62・・・下地
64a,64b・・・コンタクトホール 100・・・従来の抵抗変化素子
101・・・Pt/NiO/Ni抵抗変化素子 102a・・・上部電極(Pt等)
102b・・・下部電極(Pt等) 104・・・遷移金属酸化物(NiO等)
105・・・抵抗変化層 106・・・Ti膜 108・・・TiN膜
110・・・下地 112・・・第1のコンタクトホール
114・・・プラグ(W) 115・・・第1の配線 116・・・層間絶縁膜
118・・・第2のコンタクトホール 120・・・第2のプラグ
122・・・第2の配線 124・・・フィラメント 126・・・基板
128・・・Ni膜 130・・・NiO膜 132・・・Pt膜
134・・・第1のエッチングマスク 136・・・第2のエッチングマスク
140・・・反応ガス(塩素等) 142・・・残渣 144・・・腐食痕
2 ... variable resistance element in the
6 ... Second electrode (upper electrode) 8 ... Oxide (transition metal oxide)
DESCRIPTION OF
42 ... first wiring (ground line) 44 ... fourth
52 ...
101 ... Pt / NiO / Ni
102b ... Lower electrode (Pt, etc.) 104 ... Transition metal oxide (NiO, etc.)
105 ...
Claims (5)
遷移金属からなる第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極の間に配置された、前記遷移金属の酸化物からなる抵抗変化素子を具備し、
前記抵抗変化素子の可逆的且つ不揮発性の抵抗変化を利用する抵抗変化メモリ装置の製造方法において、
前記第1の電極と、前記第1の電極の上に積層された前記酸化物からなる積層体を、下地の上に形成する第1の工程と、
積層された前記酸化物の上面の一部を還元して、前記第1の電極との間に前記酸化物が配置された前記第2の電極を形成する第2の工程を具備することを特徴とする抵抗変化メモリ装置の製造方法。 A first electrode;
A second electrode made of a transition metal;
Comprising a resistance change element made of an oxide of the transition metal, disposed between the first electrode and the second electrode;
In a method of manufacturing a resistance change memory device using a reversible and nonvolatile resistance change of the resistance change element,
A first step of forming the first electrode and a stack of oxides stacked on the first electrode on a base;
And based on changing a part of the upper surface of the stacked the oxide, by comprising a second step of forming the second electrode, wherein the oxide is disposed between the first electrode A method of manufacturing a resistance change memory device.
前記第2の工程が、水素及びアンモニアの何れか一方又は双方を還元ガスとして、前記酸化物を還元して前記第2の電極を形成する工程であることを特徴とする抵抗変化メモリ装置の製造方法。 The method of manufacturing a resistance change memory device according to claim 1,
The second process is a process of forming the second electrode by reducing the oxide using one or both of hydrogen and ammonia as a reducing gas, and manufacturing the resistance change memory device, Method.
前記第2の工程が、
前記下地の上に絶縁膜を形成して、前記積層体を埋め込む第3の工程と、
前記絶縁膜に、前記酸化物に達するコンタクトホールを形成する第4の工程と、
前記コンタクトホールの底に露出した前記酸化物を還元して、前記第2の電極を形成する第5の工程からなることを特徴とする抵抗変化メモリ装置の製造方法。 In the manufacturing method of the resistance change memory device according to claim 1 or 2,
The second step includes
A third step of forming an insulating film on the base and embedding the stacked body;
A fourth step of forming a contact hole reaching the oxide in the insulating film;
A method of manufacturing a resistance change memory device, comprising a fifth step of forming the second electrode by reducing the oxide exposed at the bottom of the contact hole.
前記遷移金属が、ニッケルであることを特徴とする抵抗変化メモリ装置の製造方法。 In the manufacturing method of the resistance change memory device according to claim 1,
A method of manufacturing a resistance change memory device, wherein the transition metal is nickel.
前記第2の電極が接地され、
前記第1の電極は、ゲートがワード線に接続されたトランジスタを介して、正電位が印加されるビットラインに接続されていることを特徴とする抵抗変化メモリ装置の製造方法。 The method of manufacturing a resistance change memory device according to claim 1,
The second electrode is grounded;
The method of manufacturing a resistance change memory device, wherein the first electrode is connected to a bit line to which a positive potential is applied through a transistor having a gate connected to a word line.
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