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JP7572058B2 - NONLINEAR RESISTANCE ELEMENT, SWITCHING ELEMENT, AND METHOD FOR MANUFACTURING NONLINEAR RESISTANCE ELEMENT - Google Patents
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NONLINEAR RESISTANCE ELEMENT, SWITCHING ELEMENT, AND METHOD FOR MANUFACTURING NONLINEAR RESISTANCE ELEMENT Download PDF

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本開示は、非線形抵抗素子、スイッチング素子、及び非線形抵抗素子の製造方法に関する。 This disclosure relates to a nonlinear resistance element, a switching element, and a method for manufacturing a nonlinear resistance element.

半導体集積回路は、微細化(スケーリング則)によってデバイスの集積化・低電力化が進められ、性能向上が図られてきた。近年、リソグラフィプロセスの高コスト化、及びデバイス寸法の物理的限界により、これまでのスケーリング則とは異なるアプローチでのデバイス性能の改善が求められている。 In semiconductor integrated circuits, miniaturization (scaling law) has led to increased integration and lower power consumption of devices, improving their performance. In recent years, the rising cost of lithography processes and physical limitations of device dimensions have created a demand for improving device performance using approaches other than the scaling law used up to now.

近年、ゲートアレイ及びスタンダードセルの中間的な位置づけとして、FPGA(Field Programmable Gate Array)と呼ばれる再書き換え可能なプログラマブルロジックデバイスが開発されている。FPGAは、顧客自身がチップの回路構成を任意に設定することを可能とするものである。FPGAは、多層配線構造の内部に抵抗変化素子を有し、配線の電気的接続を変更できる。このようなFPGAを搭載した半導体装置を用いることによって、回路の自由度を向上することができる。 In recent years, rewritable programmable logic devices called FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) have been developed as an intermediate between gate arrays and standard cells. FPGAs allow customers to freely set the circuit configuration of their chips. FPGAs have resistance change elements inside a multi-layer wiring structure, allowing the electrical connections of the wiring to be changed. By using semiconductor devices equipped with such FPGAs, it is possible to improve the flexibility of the circuit.

抵抗変化素子としては、MRAM(磁気抵抗メモリ:Magneto-resistive Random Access Memory)、PRAM(相変化メモリ:Phase Change Random Access Memory)、ReRAM(抵抗変化型メモリ:Resistive Random Access Memory)、CBRAM(固体電解質のイオンにより導電性パスを形成するRAM:Conductive Bridging Random Access Memory)等が挙げられる。 Examples of resistance change elements include MRAM (Magneto-resistive Random Access Memory), PRAM (Phase Change Random Access Memory), ReRAM (Resistive Random Access Memory), and CBRAM (Conductive Bridging Random Access Memory, a RAM that forms a conductive path using ions in a solid electrolyte).

ReRAMは、外部から印加される電圧と電流により、抵抗値が変化する特性を利用するものである。ReRAMセルでは、2つの電極の間に挟まれた抵抗変化膜を有する構造が用いられる。例えば、2つの電極間に電界を印加して、金属酸化物からなる抵抗変化膜内部にフィラメントを生成するか、又は、2つの電極間に導電性パスを形成することにより、オン状態とする。その後、2つの電極間へ逆方向に電界を印加することで、フィラメントを消失させるか、又は、2つの電極間に形成されていた導電性パスを消失させることにより、オフ状態とする。印加する電界の方向を反転させることで、2つの電極間の抵抗値が大きく異なり、オン状態とオフ状態との間のスイッチングがなされる。上記オン状態とオフ状態との間における抵抗値の相違に応じて、この抵抗変化素子を介して流れる電流が異なることを利用して、データを記憶する。データ書き込み時は、記憶させるデータに対応して、オフ状態からオン状態への遷移、又はオン状態からオフ状態への遷移を引き起こすための電圧値、電流値及びパルス幅を選択し、データ記憶用のフィラメントの生成もしくは消失、又は導電性パスの形成もしくは消失を行う。 ReRAM utilizes the characteristic that the resistance value changes depending on the voltage and current applied from the outside. In a ReRAM cell, a structure having a resistance change film sandwiched between two electrodes is used. For example, an electric field is applied between the two electrodes to generate a filament inside the resistance change film made of metal oxide, or a conductive path is formed between the two electrodes, thereby turning the device into an ON state. Then, an electric field is applied in the opposite direction between the two electrodes to eliminate the filament, or to eliminate the conductive path formed between the two electrodes, thereby turning the device into an OFF state. By reversing the direction of the applied electric field, the resistance value between the two electrodes is greatly different, and switching between the ON state and the OFF state is performed. Data is stored by utilizing the fact that the current flowing through this resistance change element is different depending on the difference in resistance value between the ON state and the OFF state. When writing data, a voltage value, a current value, and a pulse width for causing a transition from the OFF state to the ON state or from the ON state to the OFF state are selected according to the data to be stored, and a filament for data storage is generated or eliminated, or a conductive path is formed or eliminated.

非特許文献1には、このようなReRAMに利用できる抵抗変化素子の一例として、不揮発性抵抗変化素子が開示されている。非特許文献1に開示されている不揮発性抵抗変化素子は、イオン伝導体からなる固体電解質と、固体電解質の2つの面のそれぞれに接して設けられた第1電極及び第2電極とを有する。第1電極は第1の金属から構成され、第2電極は第2の金属から構成されている。第1の金属と第2の金属は、金属を酸化して金属イオンを生成する過程における標準生成ギブズエネルギーΔGが相違している。 Non-Patent Document 1 discloses a non-volatile resistance change element as an example of a resistance change element that can be used in such a ReRAM. The non-volatile resistance change element disclosed in Non-Patent Document 1 has a solid electrolyte made of an ion conductor, and a first electrode and a second electrode provided in contact with each of two surfaces of the solid electrolyte. The first electrode is made of a first metal, and the second electrode is made of a second metal. The first metal and the second metal have different standard Gibbs energies of formation ΔG in the process of oxidizing the metal to generate metal ions.

非特許文献1の抵抗変化素子は、イオン伝導体中における金属イオン移動と、電気化学反応による「金属イオンの還元による金属の析出」と「金属の酸化による金属イオンの生成」を利用して、抵抗変化膜を挟む電極間の抵抗値を可逆的に変化させ、スイッチングを行う不揮発性スイッチング素子である。この不揮発性スイッチング素子は、金属架橋構造の形成と溶解によって、オン状態とオフ状態を遷移可能な不揮発性の金属架橋型抵抗変化素子である。 The resistance change element of Non-Patent Document 1 is a non-volatile switching element that performs switching by reversibly changing the resistance value between electrodes sandwiching a resistance change film, utilizing the movement of metal ions in an ion conductor and the electrochemical reactions of "metal deposition due to reduction of metal ions" and "production of metal ions due to oxidation of metal." This non-volatile switching element is a non-volatile metal bridge type resistance change element that can transition between an on state and an off state by forming and dissolving a metal bridge structure.

非特許文献1の抵抗変化素子にあっては、オフ状態からオン状態への遷移過程(セット過程)では、不活性電極である第2電極を接地して、活性電極である第1電極に正電圧を印加すると、第1電極と固体電解質の界面において、第1電極の金属が金属イオンとなって固体電解質に溶解する。一方、第2電極側において、第2電極から供給される電子を利用して、固体電解質中の金属イオンが固体電解質中に金属になって析出する。固体電解質中に析出した金属により、金属架橋構造が形成され、最終的に、第1電極と第2電極を接続する金属架橋が形成される。金属架橋を介して第1電極と第2電極が電気的に接続されることで、スイッチがオン状態になる。 In the resistance change element of Non-Patent Document 1, in the transition process from the off state to the on state (set process), when the second electrode, which is an inactive electrode, is grounded and a positive voltage is applied to the first electrode, which is an active electrode, the metal of the first electrode becomes metal ions at the interface between the first electrode and the solid electrolyte and dissolves in the solid electrolyte. Meanwhile, on the second electrode side, the metal ions in the solid electrolyte become metal and precipitate in the solid electrolyte using electrons supplied from the second electrode. A metal bridge structure is formed by the metal precipitated in the solid electrolyte, and finally a metal bridge is formed that connects the first electrode and the second electrode. The first electrode and the second electrode are electrically connected via the metal bridge, and the switch is turned on.

一方、オン状態からオフ状態への遷移過程(リセット過程)では、オン状態のスイッチに対して、第2電極を接地して第1電極に負電圧を印加すると、金属架橋を構成している金属が金属イオンになって固体電解質に溶解する。金属の溶解が進行すると、金属架橋を構成している金属架橋構造の一部が切れる。最終的に、第1電極と第2電極を接続する金属架橋が切断されると、電気的接続が切れ、スイッチがオフ状態になる。 On the other hand, in the transition process from the on state to the off state (reset process), when the second electrode of the switch is in the on state and a negative voltage is applied to the first electrode while grounding the second electrode, the metal that constitutes the metal bridge becomes metal ions and dissolves into the solid electrolyte. As the dissolution of the metal progresses, part of the metal bridge structure that constitutes the metal bridge breaks. Finally, when the metal bridge connecting the first electrode and the second electrode is cut, the electrical connection is broken and the switch turns off.

なお、金属の溶解が進行すると、導通経路を構成する金属架橋構造は細くなって第1電極及び第2電極間の抵抗が大きくなり、第1電極と固体電解質の界面では、溶解している金属イオンが還元され、金属として析出する。そのため、固体電解質中に含まれる金属イオン濃度が減少して比誘電率が変化することに伴い、電極間容量が変化する等、電気的接続が完全に切れる前の段階から電気特性が変化し、最終的に電気的接続が切れる。 As the dissolution of the metal progresses, the metal bridge structure that constitutes the conductive path becomes thinner, increasing the resistance between the first electrode and the second electrode, and at the interface between the first electrode and the solid electrolyte, the dissolved metal ions are reduced and precipitate as metal. As a result, the concentration of metal ions contained in the solid electrolyte decreases and the relative dielectric constant changes, causing changes in the interelectrode capacitance and other electrical properties before the electrical connection is completely severed, and ultimately the electrical connection is severed.

また、金属架橋型抵抗変化素子をオン状態からオフ状態に遷移させた(リセットした)後、再び第2電極を接地して第1電極に正電圧を印加すると、オフ状態からオン状態への遷移過程(セット過程)が進行する。すなわち、金属架橋型抵抗変化素子は、オフ状態からオン状態への遷移過程(セット過程)と、オン状態からオフ状態への遷移過程(リセット過程)を、可逆的に行うことが可能である。 Furthermore, after the metal-bridged variable resistance element is transitioned (reset) from the on state to the off state, when the second electrode is again grounded and a positive voltage is applied to the first electrode, the transition process from the off state to the on state (set process) proceeds. In other words, the metal-bridged variable resistance element can reversibly perform the transition process from the off state to the on state (set process) and the transition process from the on state to the off state (reset process).

このような固体電解質層型の抵抗変化素子は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の半導体スイッチよりもサイズが小さく、オン抵抗が小さいという特徴がある。そのため、固体電解質層型の抵抗変化素子は、プログラマブルロジックデバイスのスイッチング素子への適用が有望である。 Such solid electrolyte layer type variable resistance elements are characterized by being smaller in size and having a smaller on-resistance than semiconductor switches such as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). Therefore, solid electrolyte layer type variable resistance elements are promising for application as switching elements in programmable logic devices.

また、抵抗変化素子の導通状態(オン又はオフ)は印加電圧をオフにしてもそのまま維持される。そのため、抵抗変化素子は、不揮発性のメモリ素子としての応用も考えられる。例えば、抵抗変化素子を有するメモリ素子としては、トランジスタ等の選択素子1個と抵抗変化素子1個とを含むメモリセルを基本単位とし、複数のメモリセルを縦方向と横方向にそれぞれ配列したものが挙げられる。このようにメモリセルを配列することによって、ワード線及びビット線で複数のメモリセルの中から任意のメモリセルを選択することが可能となる。そして、選択したメモリセルの抵抗変化素子の導通状態をセンスし、抵抗変化素子のオン又はオフの状態から情報「1」又は「0」のいずれの情報が格納されているかを読み取ることが可能な不揮発性メモリを実現できる。 In addition, the conductive state (on or off) of the resistance change element is maintained even when the applied voltage is turned off. Therefore, the resistance change element can also be used as a non-volatile memory element. For example, a memory element having a resistance change element can be configured such that a memory cell including one selection element such as a transistor and one resistance change element is used as a basic unit, and multiple memory cells are arranged vertically and horizontally. By arranging the memory cells in this manner, it is possible to select any memory cell from multiple memory cells using word lines and bit lines. Then, a non-volatile memory can be realized that can sense the conductive state of the resistance change element of the selected memory cell and read whether information "1" or "0" is stored based on the on or off state of the resistance change element.

上述した2端子型の不揮発性抵抗変化素子を半導体装置に搭載し、この不揮発性抵抗変化素子をプログラミングする場合、不揮発性抵抗変化素子1つにつき、1つの選択トランジスタ(アクセストランジスタ)を備えた構成が用いられる。この構成は、一般的に1T1Rと呼ばれている。1T1Rは、選択トランジスタの占める面積が大きいため、全体の面積が実効的に大きくなるという問題があった。そのため、選択トランジスタを非線形抵抗素子等の2端子の選択素子(セレクタ)に置き換えることによって、回路の実装面積を小さくすることが検討されている。この構成は、一般的に1S1Rと呼ばれている。例えば、特許文献1には、抵抗変化素子の上部に2端子の選択素子(セレクタ)を形成し、1S1Rを構成する技術が記載されている。また、特許文献2には、抵抗変化素子としてオボニックメモリスイッチ(OMS)を使用するとともに、2端子の選択素子(セレクタ)としてオボニック閾値スイッチ(OTS)を使用し、1S1Rを構成する例が記載されている。特許文献2に記載のオボニックメモリスイッチとオボニック閾値スイッチには、カルコゲナイド材料が用いられている。 When the above-mentioned two-terminal nonvolatile resistance change element is mounted on a semiconductor device and this nonvolatile resistance change element is programmed, a configuration is used in which one selection transistor (access transistor) is provided for each nonvolatile resistance change element. This configuration is generally called 1T1R. The problem with 1T1R is that the area occupied by the selection transistor is large, so the overall area is effectively large. Therefore, it has been considered to reduce the mounting area of the circuit by replacing the selection transistor with a two-terminal selection element (selector) such as a nonlinear resistance element. This configuration is generally called 1S1R. For example, Patent Document 1 describes a technology for forming a two-terminal selection element (selector) on the top of a resistance change element to form a 1S1R. Patent Document 2 also describes an example of forming a 1S1R by using an Ovonic Memory Switch (OMS) as a resistance change element and an Ovonic Threshold Switch (OTS) as a two-terminal selection element (selector). A chalcogenide material is used for the Ovonic Memory Switch and Ovonic Threshold Switch described in Patent Document 2.

日本特許第5380612号公報Japanese Patent No. 5380612 日本特開2006-086526号公報Japanese Patent Publication No. 2006-086526

M.Tada,K.Okamoto,T.Sakamoto,M.Miyamura,N.Banno,and H.Hada,"Polymer Solid-Electrolyte Switch Embedded on CMOS for Nonvolatile Crossbar Switch" ,IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,Vol.58,No.12,pp.4398-4406,(2011).M. Tada, K. Okamoto, T. Sakamoto, M. Miyamura, N. Banno, and H. Hada, "Polymer Solid-Electrolyte Switch Embedded on CMOS for Nonvolatile Crossbar Switch", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DE VICES, Vol. 58, No. 12, pp. 4398-4406, (2011). K.Tanaka,"Structual phase transitions in chalcogenide glasses",PHYSICAL REVIEW B,VOLUME 39,NUMBER 2,pp.1270-1279,(1988).K. Tanaka, "Structual phase transitions in chalcogenide glasses", PHYSICAL REVIEW B, VOLUME 39, NUMBER 2, pp. 1270-1279, (1988).

オボニック閾値スイッチである2端子の選択素子(セレクタ)として、特許文献2に記載されているように、カルコゲナイド材料を用いた非線形抵抗素子が知られている。非線形抵抗素子として、アモルファス・カルコゲナイド層を含むMSM(Metal-Semiconductor-Metal)構造の素子が挙げられる。このような非線形抵抗素子では、アモルファス・カルコゲナイド層を構成する元素の拡散、あるいは脱離に起因して電気特性が劣化することがある。しかしながら、上記先行技術を始めとして、様々な技術が従来から検討されているにも関わらず、優れた電気特性を有する非線形抵抗素子を得るための技術が十分でないのが現状である。 As described in Patent Document 2, a nonlinear resistance element using a chalcogenide material is known as a two-terminal selection element (selector) that is an Ovonic threshold switch. An example of a nonlinear resistance element is an element with an MSM (Metal-Semiconductor-Metal) structure that includes an amorphous chalcogenide layer. In such a nonlinear resistance element, the electrical characteristics may deteriorate due to diffusion or desorption of the elements that make up the amorphous chalcogenide layer. However, despite the fact that various technologies have been investigated in the past, including the prior art described above, there is currently a lack of technology to obtain a nonlinear resistance element with excellent electrical characteristics.

本開示は、このような状況を鑑みてなされたものであり、本開示の一実施形態が解決しようとする課題は、電気特性に優れた非線形抵抗素子を提供することである。
本開示の他の実施形態が解決しようとする課題は、上記非線形抵抗素子を備えるスイッチング素子を提供することである。
本開示の他の実施形態が解決しようとする課題は、上記非線形抵抗素子の製造方法を提供することである。
The present disclosure has been made in consideration of the above circumstances, and an object of one embodiment of the present disclosure is to provide a nonlinear resistance element having excellent electrical characteristics.
Another problem to be solved by another embodiment of the present disclosure is to provide a switching element including the above nonlinear resistance element.
Another problem to be solved by another embodiment of the present disclosure is to provide a method for manufacturing the above nonlinear resistance element.

本開示は、以下の態様を含む。
<1> 第1電極と、
アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第1非線形抵抗層と、
中間層と、
アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第2非線形抵抗層と、
第2電極とを備え、
第1電極、第1非線形抵抗層、中間層、第2非線形抵抗層、及び第2電極がこの順に積層された、
非線形抵抗素子。
<2> アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、Ge及びSiの少なくとも1種の元素からなる第1群元素と、Se、Te及びSからなる群から選択される少なくとも1種の元素からなる第2群元素とを含む、<1>に記載の非線形抵抗素子。
<3> 第1非線形抵抗層と第1電極との界面から、第1非線形抵抗層と中間層との界面に向かって、第1非線形抵抗層のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第2群元素の組成が変化しており、
第2非線形抵抗層と第2電極との界面から、第2非線形抵抗層と中間層との界面に向かって、第2非線形抵抗層のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第2群元素の組成が変化している、
<2>に記載の非線形抵抗素子。
<4> アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、As、Sb及びNからなる群から選択される少なくとも1種の元素からなる第3群元素を含む、<1>~<3>のいずれか1つに記載の非線形抵抗素子。
<5> 第1非線形抵抗層と第1電極との界面から、第1非線形抵抗層と中間層との界面に向かって、第1非線形抵抗層のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第3群元素の組成が変化しており、
第2非線形抵抗層と第2電極との界面から、第2非線形抵抗層と中間層との界面に向かって、第2非線形抵抗層のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第3群元素の組成が変化している、
<4>に記載の非線形抵抗素子。
<6> 中間層は、Ti、Zr、Ta、Nb、Mo、W、Hf、V、Si、及びCからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む、<1>~<5>のいずれか1つに記載の非線形抵抗素子。
<7> 中間層の膜厚は、2nm以下である、<1>~<6>のいずれか1つに記載の非線形抵抗素子。
<8> 第1電極と第2電極の間に、絶対値が第1閾電圧以上の電圧を印可することにより低抵抗状態に変化し、絶対値が第1閾電圧未満の第2閾電圧以下の電圧を印可することにより高抵抗状態に変化する、<1>~<7>のいずれか1つに記載の非線形抵抗素子。
<9> 論理回路の信号経路中に設けられたスイッチング素子であって、
2つの2端子型の非線形抵抗素子と、
2つの2端子型の不揮発性抵抗変化素子と、を有し、
2つの2端子型の不揮発性抵抗変化素子のそれぞれの一方の端子が、互いに接続され、かつ、2つの2端子型の非線形抵抗素子のそれぞれの一方の電極と接続され、
2つの2端子型の非線形抵抗素子は、<1>~<8>のいずれか1つに記載の非線形抵抗素子である、
スイッチング素子。
<10> <1>~<8>のいずれか1つに記載の非線形抵抗素子の製造方法であって、
第1電極と、
第1非線形抵抗層と、
中間層と、
アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第2非線形抵抗層と、
第2電極とを、この順に同一真空内で積層する、
非線形抵抗素子の製造方法。
The present disclosure includes the following aspects.
<1> A first electrode,
a first nonlinear resistance layer made of an amorphous chalcogenide thin film;
The middle class,
a second nonlinear resistance layer made of an amorphous chalcogenide thin film;
a second electrode;
a first electrode, a first nonlinear resistance layer, an intermediate layer, a second nonlinear resistance layer, and a second electrode laminated in this order;
A nonlinear resistive element.
<2> The nonlinear resistance element according to <1>, wherein the amorphous chalcogenide thin film contains a first group element consisting of at least one element of Ge and Si, and a second group element consisting of at least one element selected from the group consisting of Se, Te, and S.
<3> The composition of the second group elements constituting the amorphous chalcogenide thin film of the first nonlinear resistance layer changes from the interface between the first nonlinear resistance layer and the first electrode toward the interface between the first nonlinear resistance layer and the intermediate layer,
the composition of the second group elements constituting the amorphous chalcogenide thin film of the second nonlinear resistance layer changes from the interface between the second nonlinear resistance layer and the second electrode toward the interface between the second nonlinear resistance layer and the intermediate layer;
The nonlinear resistance element according to <2>.
<4> The nonlinear resistance element according to any one of <1> to <3>, wherein the amorphous chalcogenide thin film contains a third group element consisting of at least one element selected from the group consisting of As, Sb, and N.
<5> The composition of the third group elements constituting the amorphous chalcogenide thin film of the first nonlinear resistance layer changes from the interface between the first nonlinear resistance layer and the first electrode toward the interface between the first nonlinear resistance layer and the intermediate layer,
the composition of the third group elements constituting the amorphous chalcogenide thin film of the second nonlinear resistance layer changes from the interface between the second nonlinear resistance layer and the second electrode toward the interface between the second nonlinear resistance layer and the intermediate layer;
The nonlinear resistance element according to <4>.
<6> The nonlinear resistance element according to any one of <1> to <5>, wherein the intermediate layer contains at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Ta, Nb, Mo, W, Hf, V, Si, and C.
<7> The nonlinear resistance element according to any one of <1> to <6>, wherein the intermediate layer has a thickness of 2 nm or less.
<8> The nonlinear resistance element according to any one of <1> to <7>, which changes to a low resistance state by applying a voltage having an absolute value equal to or greater than a first threshold voltage between the first electrode and the second electrode, and changes to a high resistance state by applying a voltage having an absolute value equal to or less than a second threshold voltage that is less than the first threshold voltage.
<9> A switching element provided in a signal path of a logic circuit,
Two two-terminal nonlinear resistance elements;
Two two-terminal nonvolatile resistance change elements;
one terminal of each of the two two-terminal nonvolatile resistance change elements is connected to each other and to one electrode of each of the two two-terminal nonlinear resistance elements;
The two two-terminal nonlinear resistance elements are the nonlinear resistance elements according to any one of <1> to <8>.
Switching element.
<10> A method for manufacturing a nonlinear resistance element according to any one of <1> to <8>,
A first electrode;
A first nonlinear resistance layer;
The middle class,
a second nonlinear resistance layer made of an amorphous chalcogenide thin film;
a first electrode and a second electrode are laminated in this order in the same vacuum.
A method for manufacturing a nonlinear resistance element.

本開示の一実施形態によれば、電気特性に優れた非線形抵抗素子が提供される。
本開示の他の実施形態によれば、上記非線形抵抗素子を備えるスイッチング素子が提供される。
本開示の他の実施形態によれば、上記非線形抵抗素子の製造方法が提供される。
According to one embodiment of the present disclosure, a nonlinear resistance element having excellent electrical characteristics is provided.
According to another embodiment of the present disclosure, there is provided a switching element including the above nonlinear resistance element.
According to another embodiment of the present disclosure, there is provided a method for manufacturing the above nonlinear resistance element.

図1は、第1実施形態の非線形抵抗素子の構成の一例を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a nonlinear resistance element according to the first embodiment. 図2は、中間層の機能効果を調査分析した実験の一例を説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining an example of an experiment for investigating and analyzing the functional effect of the intermediate layer. 図3は、第1実施形態の非線形抵抗素子の電流-電圧特性(I-V特性)の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of the current-voltage characteristic (IV characteristic) of the nonlinear resistance element of the first embodiment. 図4は、比較例の非線形抵抗素子の構成の一例を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a nonlinear resistance element of a comparative example. 図5は、比較例の非線形抵抗素子のI-V特性の一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of the IV characteristic of a nonlinear resistance element of a comparative example. 図6は、変形例の非線形抵抗素子の構成例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration example of a modified nonlinear resistance element. 図7は、集積回路内に作り込まれた第2実施形態の非線形抵抗素子の一例を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of a nonlinear resistance element according to the second embodiment fabricated in an integrated circuit. 図8は、第3実施形態のクロスバースイッチの構成の一例を示す等価回路図である。FIG. 8 is an equivalent circuit diagram illustrating an example of the configuration of the crossbar switch according to the third embodiment. 図9は、第4実施形態の半導体装置の素子構造の一例を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of an element structure of a semiconductor device according to the fourth embodiment.

以下、本開示に係る非線形抵抗素子、スイッチング素子、及び非線形抵抗素子の製造方法の詳細を説明する。 The nonlinear resistance element, switching element, and method for manufacturing the nonlinear resistance element according to the present disclosure are described in detail below.

以下の説明において参照する図面は、例示的、かつ、概略的に示されたものであり、本開示は、これらの図面に限定されない。同じ符号は、同じ構成要素を示す。また、図面の符号は省略することがある。 The drawings referred to in the following description are illustrative and schematic, and the present disclosure is not limited to these drawings. The same reference numerals indicate the same components. Also, reference numerals in the drawings may be omitted.

(第1実施形態)
第1実施形態は、本開示の第1の例として、電気特性に優れた非線形抵抗素子に関する。図1を用いて、第1実施形態の非線形抵抗素子の構成例を説明する。
First Embodiment
The first embodiment relates to a nonlinear resistance element having excellent electrical characteristics as a first example of the present disclosure. An example of the configuration of the nonlinear resistance element of the first embodiment will be described with reference to FIG.

図1に示すように、第1実施形態の非線形抵抗素子100は、第1電極101と、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第1非線形抵抗層102と、中間層103と、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第2非線形抵抗層104と、第2電極105とを備え、これらの電極及び層がこの順に積層されている。 As shown in FIG. 1, the nonlinear resistance element 100 of the first embodiment includes a first electrode 101, a first nonlinear resistance layer 102 made of an amorphous chalcogenide thin film, an intermediate layer 103, a second nonlinear resistance layer 104 made of an amorphous chalcogenide thin film, and a second electrode 105, and these electrodes and layers are stacked in this order.

このように、中間層103は、第1非線形抵抗層102と第2非線形抵抗層104との間に設けられている。
中間層103は、第1非線形抵抗層102及び第2非線形抵抗層104のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第2群元素、若しくは、第3群元素(例えば、As、Se等)のゲッタリング材として機能する。アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素は、中間層103に向かって拡散して移動し、第1非線形抵抗層102と中間層103との界面近傍、及び第2非線形抵抗層104と中間層103との界面近傍で濃度が高くなる。そのため、第1非線形抵抗層102、中間層103及び第2非線形抵抗層104に亘って組成の勾配が生じる。
これにより、アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素は、素子表面への拡散、あるいは、素子外への脱離が抑制され、第1非線形抵抗層102中、及び第2非線形抵抗層104中に安定して存在することができる。そのため、電気特性に優れた非線形抵抗素子を得ることができる。
更に、中間層103を設けることで、アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素が成膜時、および、素子形成後に脱離することを抑制することができ、上記のように、アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素の濃度が高い領域を形成することができる。
In this manner, the intermediate layer 103 is provided between the first nonlinear resistance layer 102 and the second nonlinear resistance layer 104 .
The intermediate layer 103 functions as a gettering material for the second group elements or the third group elements (e.g., As, Se, etc.) constituting the amorphous chalcogenide thin film of the first nonlinear resistance layer 102 and the second nonlinear resistance layer 104. The elements constituting the amorphous chalcogenide thin film diffuse and move toward the intermediate layer 103, and the concentration becomes high near the interface between the first nonlinear resistance layer 102 and the intermediate layer 103 and near the interface between the second nonlinear resistance layer 104 and the intermediate layer 103. Therefore, a composition gradient occurs across the first nonlinear resistance layer 102, the intermediate layer 103, and the second nonlinear resistance layer 104.
This prevents the elements constituting the amorphous chalcogenide thin film from diffusing to the element surface or from being desorbed to the outside of the element, and allows them to be stably present in the first nonlinear resistance layer 102 and the second nonlinear resistance layer 104. As a result, a nonlinear resistance element with excellent electrical characteristics can be obtained.
Furthermore, by providing intermediate layer 103, it is possible to suppress the desorption of elements constituting the amorphous chalcogenide thin film during film formation and after element formation, and as described above, it is possible to form a region having a high concentration of elements constituting the amorphous chalcogenide thin film.

非線形抵抗素子100は、第1電極と第2電極の間に、絶対値が第1閾電圧以上の電圧を印可することにより低抵抗状態に変化し、絶対値が第1閾電圧未満の第2閾電圧以下の電圧を印可することにより高抵抗状態に変化するものであってよい。 The nonlinear resistance element 100 may be changed to a low resistance state by applying a voltage whose absolute value is equal to or greater than a first threshold voltage between the first and second electrodes, and may be changed to a high resistance state by applying a voltage whose absolute value is equal to or less than a second threshold voltage, the absolute value of which is less than the first threshold voltage.

第1非線形抵抗層102及び第2非線形抵抗層104は、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる。アモルファス・カルコゲナイド薄膜の材料としては、例えば、Ge及びSiの少なくとも1種の元素からなる第1群元素を含むアモルファス・カルコゲナイドを用いることができる。 The first nonlinear resistance layer 102 and the second nonlinear resistance layer 104 are made of an amorphous chalcogenide thin film. The material of the amorphous chalcogenide thin film can be, for example, an amorphous chalcogenide containing a first group element consisting of at least one element of Ge and Si.

アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、例えば、Se、Te及びSからなる群から選択される少なくとも1種の元素からなる第2群元素を含んでよい。 The amorphous chalcogenide thin film may include a second group element consisting of at least one element selected from the group consisting of Se, Te, and S, for example.

アモルファス・カルコゲナイド薄膜が第2群元素を含む態様において、第1非線形抵抗層102と第1電極101との界面から、第1非線形抵抗層102と中間層103との界面に向かって、第1非線形抵抗層102のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第2群元素の組成が変化していてよい。
また、同態様において、第2非線形抵抗層104と第2電極105との界面から、第2非線形抵抗層104と中間層103との界面に向かって、第2非線形抵抗層104のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第2群元素の組成が変化していてよい。
以上のような組成の変化は、上述した組成の勾配に寄与するため、非線形抵抗素子の電気特性の向上を容易とする。
In an embodiment in which the amorphous chalcogenide thin film contains a second group element, the composition of the second group elements constituting the amorphous chalcogenide thin film of the first nonlinear resistance layer 102 may change from the interface between the first nonlinear resistance layer 102 and the first electrode 101 toward the interface between the first nonlinear resistance layer 102 and the intermediate layer 103.
In the same embodiment, the composition of the second group elements constituting the amorphous chalcogenide thin film of the second nonlinear resistance layer 104 may change from the interface between the second nonlinear resistance layer 104 and the second electrode 105 toward the interface between the second nonlinear resistance layer 104 and the intermediate layer 103.
The above-mentioned compositional changes contribute to the above-mentioned compositional gradient, and therefore facilitate improvement of the electrical characteristics of the nonlinear resistance element.

アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、As、Sb及びNからなる群から選択される少なくとも1種の元素からなる第3群元素を含んでよい。 The amorphous chalcogenide thin film may contain a third group element consisting of at least one element selected from the group consisting of As, Sb, and N.

アモルファス・カルコゲナイド薄膜が第3群元素を含む態様において、第1非線形抵抗層102と第1電極101との界面から、第1非線形抵抗層102と中間層103との界面に向かって、第1非線形抵抗層102のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第3群元素の組成が変化していてよい。
また、同態様において、第2非線形抵抗層104と第2電極105との界面から、第2非線形抵抗層104と中間層103との界面に向かって、第2非線形抵抗層104のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第3群元素の組成が変化していてよい。
以上のような組成の変化は、上述した組成の勾配に寄与するため、非線形抵抗素子の電気特性の向上を容易とする。
In an embodiment in which the amorphous chalcogenide thin film contains a third group element, the composition of the third group elements constituting the amorphous chalcogenide thin film of the first nonlinear resistance layer 102 may change from the interface between the first nonlinear resistance layer 102 and the first electrode 101 toward the interface between the first nonlinear resistance layer 102 and the intermediate layer 103.
In the same embodiment, the composition of the third group elements constituting the amorphous chalcogenide thin film of the second nonlinear resistance layer 104 may change from the interface between the second nonlinear resistance layer 104 and the second electrode 105 toward the interface between the second nonlinear resistance layer 104 and the intermediate layer 103.
The above-mentioned compositional changes contribute to the above-mentioned compositional gradient, and therefore facilitate improvement of the electrical characteristics of the nonlinear resistance element.

第1非線形抵抗層102の組成は、第2非線形抵抗層104の組成と同一であってよく、異なっていてもよい。 The composition of the first nonlinear resistance layer 102 may be the same as or different from the composition of the second nonlinear resistance layer 104.

第1非線形抵抗層102及び第2非線形抵抗層104の膜厚は特に限定されない。膜厚が厚くなる程、素子抵抗が低抵抗になる第1閾電圧は高くなり、また、高抵抗状態でのリーク電流は小さくなる傾向がある。従って、第1非線形抵抗層102及び第2非線形抵抗層104の組成等の材質から決まる特性と、必要とされる非線形抵抗素子の電気特性とに合わせて、第1非線形抵抗層102及び第2非線形抵抗層104の膜厚が調整される。第1非線形抵抗層102及び第2非線形抵抗層104の膜厚は、例えば、5nm~50nmに設定してよい。 The film thickness of the first nonlinear resistance layer 102 and the second nonlinear resistance layer 104 is not particularly limited. The thicker the film thickness, the higher the first threshold voltage at which the element resistance becomes low, and the smaller the leakage current in the high resistance state tends to be. Therefore, the film thickness of the first nonlinear resistance layer 102 and the second nonlinear resistance layer 104 is adjusted according to the characteristics determined by the materials such as the composition of the first nonlinear resistance layer 102 and the second nonlinear resistance layer 104 and the required electrical characteristics of the nonlinear resistance element. The film thickness of the first nonlinear resistance layer 102 and the second nonlinear resistance layer 104 may be set to, for example, 5 nm to 50 nm.

第1非線形抵抗層102の膜厚は、第2非線形抵抗層104の膜厚とは同一であってよく、異なっていてもよい。 The film thickness of the first nonlinear resistance layer 102 may be the same as or different from the film thickness of the second nonlinear resistance layer 104.

中間層103は、例えば、Ti、Zr、Ta、Nb、Mo、W、Hf又はVのいずれかの1種の元素を含む金属からなる。
また、中間層103は、例えば、Si又はCを含んでよい。
このように、中間層103は、例えば、Ti、Zr、Ta、Nb、Mo、W、Hf、V、Si、及びCからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含んでよい。
The intermediate layer 103 is made of a metal containing one of the elements Ti, Zr, Ta, Nb, Mo, W, Hf, and V, for example.
The intermediate layer 103 may also contain Si or C, for example.
Thus, the intermediate layer 103 may contain at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Ta, Nb, Mo, W, Hf, V, Si, and C, for example.

中間層103の膜厚は特に限定しないが、例えば、0.5nm以上であることが好ましい。また、中間層103の膜厚は、2nm以下であることが好ましく、1nm以下であることが好ましい。 The thickness of the intermediate layer 103 is not particularly limited, but is preferably 0.5 nm or more, for example. The thickness of the intermediate layer 103 is preferably 2 nm or less, and more preferably 1 nm or less.

第1電極101及び第2電極105の材料としては、例えば、Cu、Al、Ti、Zr、Ta、Nb、Mo、W、Hf、及びV、並びにそれらの窒化物を用いることができる。 Materials for the first electrode 101 and the second electrode 105 can be, for example, Cu, Al, Ti, Zr, Ta, Nb, Mo, W, Hf, and V, as well as nitrides thereof.

第1電極101の材料は、第2電極105の材料とは同一であってよく、異なっていてもよい。 The material of the first electrode 101 may be the same as or different from the material of the second electrode 105.

第1電極101の下方(すなわち、第1電極101の第1非線形抵抗層102を有する側とは反対側)には、下部配線が備えられていてよい。下部配線の材料としては、Cu、Al又はWのいずれか1種の元素を含む金属を用いてよい。 A lower wiring may be provided below the first electrode 101 (i.e., on the side of the first electrode 101 opposite to the side having the first nonlinear resistance layer 102). The material of the lower wiring may be a metal containing one of the elements Cu, Al, or W.

以下、第1実施形態の非線形抵抗素子100の具体的な形成方法を示す。
第1電極101として、例えば、膜厚10nmのTiN膜を基板上に堆積する。
TiN膜の成膜方法としては、DCスパッタリング法を用いることができる。例えば、5×10-6Pa程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン(Ar)ガスと窒素(N)ガスを導入し、チタン(Ti)ターゲットに500W~2kWの直流(DC)電力を印加することにより、TiN膜を堆積する。
A specific method for forming the nonlinear resistance element 100 of the first embodiment will be described below.
As the first electrode 101, for example, a TiN film having a thickness of 10 nm is deposited on the substrate.
The TiN film can be formed by DC sputtering. For example, argon (Ar) gas and nitrogen (N 2 ) gas are introduced into a sputtering chamber depressurized to about 5×10 −6 Pa, and a direct current (DC) power of 500 W to 2 kW is applied to a titanium (Ti) target to deposit the TiN film.

次に、第1非線形抵抗層102を形成する。
第1非線形抵抗層102としては、例えば、Ge-Si-As-Se系の膜厚20nmのカルコゲナイドのアモルファス膜(アモルファス・カルコゲナイド薄膜)を堆積する。
アモルファス・カルコゲナイド薄膜の成膜方法としては、Siターゲットと、例えば、Ge-As-Se化合物ターゲット(カルゴゲナイドターゲット)を用いた同時スパッタリング法を用いることができる。例えば、5×10-6Pa程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン(Ar)ガスを導入し、Siターゲットに10W~500WのDC電力又はRF電力を印加し、カルコゲナイドターゲットに10W~2kWのRF電力を印加する。カルコゲナイドターゲットの組成、あるいは、同時スパッタリングする際のSiターゲット及びカルコゲナイドターゲットに印加する電力を調整することにより、第1非線形抵抗層102の組成を調整することができる。カルコゲナイドターゲットには、通常の焼結体ターゲットが利用できるが、Ge22As20Se58等の組成のカルコゲナイドガラスもターゲットとして利用できる。カルコゲナイドガラスをターゲットに用いた場合には、焼結体に比べて、ターゲットの密度、及び組成の均一性が優れるために、均一性に優れた第1非線形抵抗層102を得ることができる。また、非線形抵抗層102の成膜には、上記のようなSiとの同時スパッタリングではなく、カルコゲナイドターゲットのみを用いた通常の単独スパッタリングを行っても、第1非線形抵抗層102として機能するアモルファス・カルコゲナイド薄膜を形成できることができる。更に、スパッタリングする際に、アルゴン(Ar)ガスに加えて窒素(N)ガスを用いると、第1非線形抵抗層102に窒素を添加することができる。
Next, the first nonlinear resistance layer 102 is formed.
As the first nonlinear resistance layer 102, for example, a Ge-Si-As-Se based amorphous chalcogenide film (amorphous chalcogenide thin film) having a thickness of 20 nm is deposited.
The amorphous chalcogenide thin film can be formed by simultaneous sputtering using a Si target and, for example, a Ge-As-Se compound target (chalcogenide target). For example, argon (Ar) gas is introduced into a sputtering chamber decompressed to about 5×10 −6 Pa, DC power or RF power of 10 W to 500 W is applied to the Si target, and RF power of 10 W to 2 kW is applied to the chalcogenide target. The composition of the first nonlinear resistance layer 102 can be adjusted by adjusting the composition of the chalcogenide target or the power applied to the Si target and the chalcogenide target during simultaneous sputtering. Although a normal sintered target can be used as the chalcogenide target, chalcogenide glass having a composition such as Ge 22 As 20 Se 58 can also be used as the target. When chalcogenide glass is used as a target, the uniformity of the target density and composition is superior to that of a sintered body, so that the first nonlinear resistance layer 102 having excellent uniformity can be obtained. In addition, the nonlinear resistance layer 102 can be formed by normal single sputtering using only a chalcogenide target, instead of simultaneous sputtering with Si as described above, to form an amorphous chalcogenide thin film that functions as the first nonlinear resistance layer 102. Furthermore, when nitrogen (N 2 ) gas is used in addition to argon (Ar) gas during sputtering, nitrogen can be added to the first nonlinear resistance layer 102.

なお、第1電極101及び第1非線形抵抗層102は、ガスとターゲットを切り替えることで、同一真空中において連続的に形成することができる。 The first electrode 101 and the first nonlinear resistance layer 102 can be formed consecutively in the same vacuum by switching the gas and target.

次に、中間層103を形成する。
中間層103としては、例えば、膜厚0.5nmのTi膜を堆積する。
Ti膜の成膜方法としては、DCスパッタリング法を用いることができる。例えば、5×10-6Pa程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン(Ar)ガスのみを導入し、チタン(Ti)ターゲットに500W~2kWの直流(DC)電力を印加することにより、第1非線形抵抗層102上にTi膜を堆積する。
Next, the intermediate layer 103 is formed.
As the intermediate layer 103, for example, a Ti film having a thickness of 0.5 nm is deposited.
The Ti film can be formed by DC sputtering. For example, only argon (Ar) gas is introduced into a sputtering chamber depressurized to about 5×10 −6 Pa, and a direct current (DC) power of 500 W to 2 kW is applied to a titanium (Ti) target to deposit a Ti film on the first nonlinear resistance layer 102.

次に、第2非線形抵抗層104を形成する。
第2非線形抵抗層104としては、例えば、第1非線形抵抗層102と同様に、膜厚20nmのGeSiAsSe系のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を堆積する。
アモルファス・カルコゲナイド薄膜の成膜方法としては、Siターゲットと、例えば、GeAsSeカルコゲナイドターゲットを用いた同時スパッタリング法を用いることができる。例えば、5×10-6Pa程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン(Ar)ガスを導入し、Siターゲットに10W~500WのDC電力又はRF電力を印加し、カルコゲナイドターゲットに10W~2kWのRF電力を印加する。カルコゲナイドターゲットの組成、あるいは、同時スパッタリングする際のSiターゲット及びカルコゲナイドターゲットに印加する電力を調整することにより、第2非線形抵抗層102の組成を調整することができる。その他、第1非線形抵抗層102について上述した通りである。
Next, the second nonlinear resistance layer 104 is formed.
As the second nonlinear resistance layer 104, for example, a GeSiAsSe-based amorphous chalcogenide thin film having a thickness of 20 nm is deposited in the same manner as the first nonlinear resistance layer 102.
The amorphous chalcogenide thin film can be formed by simultaneous sputtering using a Si target and, for example, a GeAsSe chalcogenide target. For example, argon (Ar) gas is introduced into a sputtering chamber decompressed to about 5×10 −6 Pa, and DC or RF power of 10 W to 500 W is applied to the Si target, and RF power of 10 W to 2 kW is applied to the chalcogenide target. The composition of the second nonlinear resistance layer 102 can be adjusted by adjusting the composition of the chalcogenide target or the power applied to the Si target and the chalcogenide target during simultaneous sputtering. The other features of the first nonlinear resistance layer 102 are as described above.

なお、第1非線形抵抗層102、中間層103、及び第2非線形抵抗層104の成膜は、同一真空中において連続的に行うことが望ましい。これにより、第1非線形抵抗層102と中間層103との界面、及び中間層103と第2非線形抵抗層104との界面が清浄に保たれ、中間層103の効果を最大限に発現させることができる。 It is preferable to deposit the first nonlinear resistance layer 102, the intermediate layer 103, and the second nonlinear resistance layer 104 successively in the same vacuum. This keeps the interface between the first nonlinear resistance layer 102 and the intermediate layer 103, and the interface between the intermediate layer 103 and the second nonlinear resistance layer 104 clean, allowing the effect of the intermediate layer 103 to be maximized.

次に、第2電極105を形成する。
第2電極105としては、例えば、膜厚25nmのTiN膜を堆積する。
第2電極105の成膜方法としては、第1電極101と同様に、アルゴン(Ar)ガスと窒素(N)ガスを用いた、DCスパッタリング法を用いる。
Next, the second electrode 105 is formed.
As the second electrode 105, for example, a TiN film having a thickness of 25 nm is deposited.
The second electrode 105 is formed by DC sputtering using argon (Ar) gas and nitrogen (N 2 ) gas, similarly to the first electrode 101 .

なお、第2非線形抵抗層104及び第2電極105は、ガスとターゲットを切り替えることで、同一真空中において連続的に形成することができる。 The second nonlinear resistance layer 104 and the second electrode 105 can be formed consecutively in the same vacuum by switching the gas and target.

上述の形成方法によって得られた積層体を素子化するためには、いわゆるフォトリソグラフィー及びドライエッチングによる微細加工技術を用いることが好適である。
また、第1電極101を成膜する前に、絶縁膜に埋め込まれた下部配線を予め形成しておいてもよい。下部配線は更に絶縁膜で被覆され、開口部を介して、第1電極101と電気的に接続される。
In order to fabricate a device from the laminate obtained by the above-mentioned forming method, it is preferable to use a microfabrication technique using so-called photolithography and dry etching.
Furthermore, a lower wiring buried in an insulating film may be formed in advance before forming the first electrode 101. The lower wiring is further covered with an insulating film and is electrically connected to the first electrode 101 through the opening.

(実験例)
ここで、非線形抵抗素子100の中間層103の機能効果を調査分析した実験例について説明する。
(Experimental Example)
Here, an experimental example in which the functional effects of the intermediate layer 103 of the nonlinear resistance element 100 were investigated and analyzed will be described.

この例においては、図2に示すように、下から、膜厚10nmのTiN電極膜、膜厚2nmのTi膜、膜厚20nmのGe-As-Se系カルコゲナイドのアモルファス膜を積層し、更に、膜厚2nmのTi膜、膜厚25nmのTiN電極膜を成膜した試料を作製した。上下のTiN電極とGe-As-Se系カルコゲナイドのアモルファス膜の界面に設けられた膜厚2nmのTi膜は、第1実施形態と積層構造が異なっているが、非線形抵抗素子100の中間層103と同等の機能を有している。すなわち、第2群元素、若しくは、第3群元素に対して、ゲッタリング効果を有している。 In this example, as shown in FIG. 2, a sample was fabricated by laminating, from the bottom, a 10 nm thick TiN electrode film, a 2 nm thick Ti film, and a 20 nm thick amorphous Ge-As-Se chalcogenide film, and then forming a 2 nm thick Ti film and a 25 nm thick TiN electrode film. The 2 nm thick Ti film provided at the interface between the upper and lower TiN electrodes and the Ge-As-Se chalcogenide amorphous film has a different layered structure from that of the first embodiment, but has the same function as the intermediate layer 103 of the nonlinear resistance element 100. In other words, it has a gettering effect on the second group elements or the third group elements.

この試料の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察し、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の組成を分析した結果の一例を表1に示す。アモルファス・カルコゲナイド薄膜の組成は、図2に示すように、上部のTi膜とアモルファス・カルコゲナイドの界面をaとし、アモルファス・カルコゲナイド薄膜と下部のTiの界面をeとし、膜厚方向に略等間隔に5点(位置a~位置e)で分析した。 The cross section of this sample was observed with a transmission electron microscope (TEM), and an example of the results of analyzing the composition of the amorphous chalcogenide thin film is shown in Table 1. As shown in Figure 2, the composition of the amorphous chalcogenide thin film was analyzed at five points (positions a to e) spaced approximately equally in the film thickness direction, with the interface between the upper Ti film and the amorphous chalcogenide as a and the interface between the amorphous chalcogenide thin film and the lower Ti as e.

表1に示すように、この実験例の一例である上記非線形抵抗素子について、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の組成は、膜厚方向で変化していた。組成変化の理解を容易にするため、Geに対するAs及びSeの相対組成も表1に示す。As及びSeの相対組成は、上部のTi膜とアモルファス・カルコゲナイド薄膜との界面a、及びアモルファス・カルコゲナイド薄膜と下部のTi膜との界面eにおいて、位置b~位置dと比較して大きかった。このことから、第3群元素のAs、及び第2群元素のSeがTi膜との界面に向かって移動していることが分かる。特にAsは、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の中央部cからもTi膜との界面に向かって移動している。 As shown in Table 1, the composition of the amorphous chalcogenide thin film for the nonlinear resistance element, which is an example of this experimental example, changed in the film thickness direction. To facilitate understanding of the composition change, the relative compositions of As and Se with respect to Ge are also shown in Table 1. The relative compositions of As and Se were larger at the interface a between the upper Ti film and the amorphous chalcogenide thin film, and at the interface e between the amorphous chalcogenide thin film and the lower Ti film, compared to positions b to d. This shows that As, a third group element, and Se, a second group element, migrate toward the interface with the Ti film. In particular, As also migrates from the center c of the amorphous chalcogenide thin film toward the interface with the Ti film.

以上のことから、TiN電極とアモルファス・カルコゲナイド薄膜の界面に設けたTi膜は、非線形抵抗層のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素であるAs及びSeのゲッタリング材として機能し、AsとSeを強力に吸着・固定できることを示している。
更に、As及びSeに対してゲッタリング効果のある薄膜をアモルファス・カルコゲナイド薄膜に隣接して配置することで、As及びSeを濃縮し、成膜時の組成よりもAs濃度及びSe濃度の高い組成領域を形成することができる。
第1実施形態のように、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の中央部に、中間層103としてゲッタリング効果のある薄膜を挿入した場合には、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の中央部にAs濃度及びSe濃度の高い領域を設けることができる。これにより、拡散しやすいAs及びSeを膜中にしっかりと固定して素子表面に拡散することを防ぐ。また、蒸気圧が高く、素子外に脱離しやすいAs及びSeを安定して素子内に留めておくことが可能である。この結果、第1実施形態の非線形抵抗素子は安定性に優れた電気特性を示す。
中間層103には、As及びSe等に対するゲッタリング効果を示す材料として、Ti、Zr、Ta、Nb、Mo、W、Hf、及びVが適している。
また、第2群、若しくは、第3群を構成するSe、As等は蒸気圧が高く、アモルファス・カルコゲナイド薄膜のスパッタリング成膜では、Se、As等は揮発しやすく、膜中の濃度を高めることが難しい。上述したように、第2群、若しくは、第3群を構成するSe、As等に対してゲッタリング効果のあるTi等をアモルファス・カルコゲナイド薄膜に接して配置することで、Se、As等を濃縮することが可能である。このため、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の成膜時よりも、Se濃度及びAs濃度を高くすることが可能となり、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の組成調節範囲を広くすることができる。この結果、電気特性に優れた非線形素子を得ることができる。
From the above, it is shown that the Ti film provided at the interface between the TiN electrode and the amorphous chalcogenide thin film functions as a gettering material for As and Se, which are elements that make up the amorphous chalcogenide thin film of the nonlinear resistance layer, and can strongly adsorb and fix As and Se.
Furthermore, by placing a thin film having a gettering effect on As and Se adjacent to the amorphous chalcogenide thin film, it is possible to concentrate As and Se, forming a composition region having higher As and Se concentrations than the composition at the time of film formation.
When a thin film having a gettering effect is inserted as the intermediate layer 103 in the center of the amorphous chalcogenide thin film as in the first embodiment, a region with high As and Se concentrations can be provided in the center of the amorphous chalcogenide thin film. This allows As and Se, which are prone to diffusion, to be firmly fixed in the film and prevented from diffusing to the element surface. In addition, As and Se, which have high vapor pressure and are prone to desorb outside the element, can be stably retained within the element. As a result, the nonlinear resistance element of the first embodiment exhibits stable electrical characteristics.
For the intermediate layer 103, Ti, Zr, Ta, Nb, Mo, W, Hf, and V are suitable as materials that exhibit a gettering effect on As, Se, and the like.
In addition, the vapor pressure of Se, As, etc., which constitute the second or third group, is high, and in the sputtering deposition of the amorphous chalcogenide thin film, Se, As, etc., are easily volatilized, and it is difficult to increase the concentration in the film. As described above, by arranging Ti, etc., which has a gettering effect on Se, As, etc., which constitute the second or third group, in contact with the amorphous chalcogenide thin film, it is possible to concentrate Se, As, etc. Therefore, it is possible to make the Se concentration and As concentration higher than when the amorphous chalcogenide thin film is deposited, and the composition adjustment range of the amorphous chalcogenide thin film can be widened. As a result, a nonlinear element with excellent electrical characteristics can be obtained.

図3は、第1実施形態の非線形抵抗素子100の電流-電圧特性(I-V特性)の一例を示す図である。この例において、第1電極101は、膜厚10nm、第2電極105は、膜厚25nmのTiN膜であり、中間層103は、膜厚0.5nmのTi膜である。また、第1非線形抵抗層102及び第2非線形抵抗層104は、膜厚25nmのGeAsSe系のアモルファス・カルコゲナイド薄膜である。 Figure 3 is a diagram showing an example of the current-voltage characteristics (IV characteristics) of the nonlinear resistance element 100 of the first embodiment. In this example, the first electrode 101 is a 10 nm-thickness TiN film, the second electrode 105 is a 25 nm-thickness TiN film, and the intermediate layer 103 is a 0.5 nm-thickness Ti film. The first nonlinear resistance layer 102 and the second nonlinear resistance layer 104 are GeAsSe-based amorphous chalcogenide thin films with a thickness of 25 nm.

I-V特性は、非線形抵抗素子の第2電極に0Vから-2Vの電圧を印可して測定した。また、素子破壊を防ぐために、100μA以上の電流が流れないように測定器で制限した。 The I-V characteristics were measured by applying a voltage of 0V to -2V to the second electrode of the nonlinear resistance element. In order to prevent damage to the element, the current was limited by the measuring device to not exceed 100μA.

第1実施形態の一例である上記非線形抵抗素子は、強い非線形を示し、特に-1.2V近傍で急激に電流が増加した。これは、約1.2Vを第1閾電圧として低抵抗状態に変化したことを示している。低抵抗状態での電流値は100μAで制限されており、実際には、100μA以上の電流が流れることがわかる。この非線形抵抗素子の約0.6V印加した時の電流値と、低抵抗状態である1.25Vでの電流比は、約1.5×10であった。このように、第1実施形態の一例である上記非線形抵抗素子は、電気特性が優れている。 The nonlinear resistance element, which is an example of the first embodiment, exhibited strong nonlinearity, and the current increased rapidly especially near -1.2V. This indicates that the state changed to a low resistance state with a first threshold voltage of about 1.2V. The current value in the low resistance state was limited to 100 μA, and it can be seen that a current of 100 μA or more actually flows. The current ratio of this nonlinear resistance element when about 0.6V was applied to it and when it was in the low resistance state of 1.25V was about 1.5×10 6. Thus, the nonlinear resistance element, which is an example of the first embodiment, has excellent electrical characteristics.

(比較例)
図4を用いて、比較例として、関連技術による非線形抵抗素子の一例を説明する。図4に示すように、関連技術による非線形抵抗素子300は、第1電極301と、非線形抵抗層303と、第2電極305とを備え、これらの電極及び層がこの順に積層されている。
Comparative Example
As a comparative example, an example of a nonlinear resistance element according to the related art will be described with reference to Fig. 4. As shown in Fig. 4, a nonlinear resistance element 300 according to the related art includes a first electrode 301, a nonlinear resistance layer 303, and a second electrode 305, and these electrodes and layers are laminated in this order.

第1電極301及び第2電極305の材料としては、例えば、Ti、V、Zr、Nb、Ta、Hf又はWのいずれか1種の元素を含む金属の窒化物を用いることができる。
非線形抵抗層303は、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる。アモルファス・カルコゲナイド薄膜の材料としては、Ge及びSiの少なくとも1種の元素と、Se、Te及びSからなる群から選択される少なくとも1種の元素とを含むアモルファス・カルコゲナイドを用いることができる。アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、更に、As、Sb及びNからなる群から選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。
As the material for the first electrode 301 and the second electrode 305, for example, a metal nitride containing any one of the elements Ti, V, Zr, Nb, Ta, Hf, and W can be used.
The nonlinear resistance layer 303 is made of an amorphous chalcogenide thin film. The material of the amorphous chalcogenide thin film may be an amorphous chalcogenide containing at least one element selected from the group consisting of Ge and Si, and at least one element selected from the group consisting of Se, Te, and S. The amorphous chalcogenide thin film may further contain at least one element selected from the group consisting of As, Sb, and N.

以下、関連技術による非線形抵抗素子300の具体的な形成方法を示す。
第1電極301として、例えば、膜厚10nmのTiN膜を基板上に堆積する。
TiN膜の成膜方法としては、DCスパッタリング法を用いることができる。例えば、1×10-6Pa程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン(Ar)ガスと窒素(N)ガスを導入し、チタン(Ti)ターゲットに500W~2kWの直流(DC)電力を印加することにより、TiN膜を堆積する。
A specific method for forming the nonlinear resistance element 300 according to the related art will be described below.
As the first electrode 301, for example, a TiN film having a thickness of 10 nm is deposited on the substrate.
The TiN film can be formed by DC sputtering. For example, argon (Ar) gas and nitrogen (N 2 ) gas are introduced into a sputtering chamber depressurized to about 1×10 −6 Pa, and a direct current (DC) power of 500 W to 2 kW is applied to a titanium (Ti) target to deposit the TiN film.

次に、非線形抵抗層303を形成する。
非線形抵抗層303としては、例えば、Ge-Se系の膜厚50nmのカルコゲナイドのアモルファス膜(アモルファス・カルコゲナイド薄膜)を堆積する。
アモルファス・カルコゲナイド薄膜の成膜方法としては、Geターゲットと例えば、Ge20Se80等の組成のGe-Se化合物ターゲットを用いた同時スパッタリング法を用いることができる。例えば、1×10-6Pa程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン(Ar)ガスを導入し、Geターゲットに10W~500WのDC電力又はRF電力を印加し、Ge-Se化合物ターゲットに100W~2kWのRF電力を印加する。Ge-Se化合物ターゲットの組成、あるいは、同時スパッタリングする際のGeターゲットとGe-Se化合物ターゲットに印加する電力を調整することにより、非線形抵抗層303の組成を調整することができる。また、同時スパッタリングする際に、アルゴン(Ar)ガスに加えて窒素(N)ガスを用いると、非線形抵抗層303に窒素を添加することができる。
本比較例では、例えば、組成がGe47Se53であり、膜厚約50nmのアモルファス・カルコゲナイド薄膜を形成する。
Next, the nonlinear resistance layer 303 is formed.
As the nonlinear resistance layer 303, for example, a Ge--Se based amorphous chalcogenide film (amorphous chalcogenide thin film) having a thickness of 50 nm is deposited.
As a method for forming an amorphous chalcogenide thin film, a simultaneous sputtering method using a Ge target and a Ge-Se compound target having a composition of, for example, Ge 20 Se 80 can be used. For example, argon (Ar) gas is introduced into a sputtering chamber decompressed to about 1×10 −6 Pa, DC power or RF power of 10 W to 500 W is applied to the Ge target, and RF power of 100 W to 2 kW is applied to the Ge-Se compound target. The composition of the nonlinear resistance layer 303 can be adjusted by adjusting the composition of the Ge-Se compound target or the power applied to the Ge target and the Ge-Se compound target during simultaneous sputtering. In addition, when nitrogen (N 2 ) gas is used in addition to argon (Ar) gas during simultaneous sputtering, nitrogen can be added to the nonlinear resistance layer 303.
In this comparative example, for example, an amorphous chalcogenide thin film having a composition of Ge 47 Se 53 and a thickness of about 50 nm is formed.

次に、第2電極305を形成する。
第2電極305としては、例えば、膜厚25nmのTiN膜を堆積する。
第2電極305の成膜方法としては、第1電極301と同様に、アルゴン(Ar)ガスと窒素(N)ガスを用いた、DCスパッタリング法を用いる。
Next, the second electrode 305 is formed.
As the second electrode 305, for example, a TiN film having a thickness of 25 nm is deposited.
The second electrode 305 is formed by DC sputtering using argon (Ar) gas and nitrogen (N 2 ) gas, similarly to the first electrode 301 .

図5は、比較例の非線形抵抗素子300の電流-電圧特性(I-V特性)の一例を示す図である。この例において、第1電極301は、膜厚10nmのTiN膜であり、第2電極305は、膜厚25nmのTiN膜であり、非線形抵抗層303は、組成がGe47Se53であり、膜厚50nmのアモルファス・カルコゲナイド薄膜である。 5 is a diagram showing an example of the current-voltage characteristics (IV characteristics) of the comparative nonlinear resistance element 300. In this example, the first electrode 301 is a TiN film with a thickness of 10 nm, the second electrode 305 is a TiN film with a thickness of 25 nm, and the nonlinear resistance layer 303 is an amorphous chalcogenide thin film with a composition of Ge 47 Se 53 and a thickness of 50 nm.

比較例の非線形抵抗素子は、図5に示すように、電気特性の非線性が低かった。このように、比較例の非線形抵抗素子は、電気特性が劣っている。 As shown in Figure 5, the nonlinear resistance element of the comparative example had low nonlinearity in its electrical characteristics. Thus, the nonlinear resistance element of the comparative example has inferior electrical characteristics.

(変形例)
図6を用いて、変形例の非線形抵抗素子の構成例を説明する。図6に示すように、変形例の非線形抵抗素子500は、第1電極501と、第1拡散バリア層502と、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる非線形抵抗層503と、第2拡散バリア層504と、第2電極505とを備え、これらの電極及び層がこの順に積層されている。
(Modification)
A configuration example of the modified nonlinear resistance element will be described with reference to Fig. 6. As shown in Fig. 6, the modified nonlinear resistance element 500 includes a first electrode 501, a first diffusion barrier layer 502, a nonlinear resistance layer 503 made of an amorphous chalcogenide thin film, a second diffusion barrier layer 504, and a second electrode 505, and these electrodes and layers are laminated in this order.

このように、非線形抵抗層503は、第1拡散バリア層502と第2拡散バリア層504との間に設けられている。
第1拡散バリア層502及び第2拡散バリア層504は、非線形抵抗層503のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素(例えば、As、Se等)の拡散防止層として機能する。第1拡散バリア層502及び第2拡散バリア層504は、非線形抵抗層503のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素が、第1電極501及び第2電極505に拡散して移動することを抑制し、非線形抵抗層503のスイッチ層としての組成を保持する。そのため、電気特性に優れた非線形抵抗素子を得ることができる。
In this manner, the nonlinear resistance layer 503 is provided between the first diffusion barrier layer 502 and the second diffusion barrier layer 504 .
The first diffusion barrier layer 502 and the second diffusion barrier layer 504 function as diffusion prevention layers for elements (e.g., As, Se, etc.) constituting the amorphous chalcogenide thin film of the nonlinear resistance layer 503. The first diffusion barrier layer 502 and the second diffusion barrier layer 504 suppress the elements constituting the amorphous chalcogenide thin film of the nonlinear resistance layer 503 from diffusing and moving to the first electrode 501 and the second electrode 505, and maintain the composition of the nonlinear resistance layer 503 as a switch layer. Therefore, a nonlinear resistance element with excellent electrical characteristics can be obtained.

第1拡散バリア層502及び第2拡散バリア層504は、例えば、Ru、Ir、Pt、Au又はRhのいずれか1種の元素を含む金属からなることが好適である。また、第1拡散バリア層502及び第2拡散バリア層504は、例えば、Ti、Zr、Ta、Nb、Mo、W又はHf等の窒化物からなることが好適である。 The first diffusion barrier layer 502 and the second diffusion barrier layer 504 are preferably made of a metal containing one of the elements Ru, Ir, Pt, Au, or Rh. The first diffusion barrier layer 502 and the second diffusion barrier layer 504 are preferably made of a nitride such as Ti, Zr, Ta, Nb, Mo, W, or Hf.

第1拡散バリア層502の組成は、第2拡散バリア層504の組成と同一であってよく、異なっていてもよい。 The composition of the first diffusion barrier layer 502 may be the same as or different from the composition of the second diffusion barrier layer 504.

第1拡散バリア層502及び第2拡散バリア層504の膜厚は特に限定さないが、例えば、3nm以下であることが好ましい。 The film thickness of the first diffusion barrier layer 502 and the second diffusion barrier layer 504 is not particularly limited, but is preferably, for example, 3 nm or less.

第1拡散バリア層502の膜厚は、第2拡散バリア層504の膜厚と同一であってよく、異なっていてもよい。 The thickness of the first diffusion barrier layer 502 may be the same as or different from the thickness of the second diffusion barrier layer 504.

非線形抵抗層503は、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる。アモルファス・カルコゲナイド薄膜の材料としては、例えば、Ge及びSiの少なくとも1種の元素からなる第1群元素を含むアモルファス・カルコゲナイドを用いることができる。 The nonlinear resistance layer 503 is made of an amorphous chalcogenide thin film. The material of the amorphous chalcogenide thin film can be, for example, an amorphous chalcogenide containing a first group element consisting of at least one element of Ge and Si.

アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、例えば、Se、Te及びSからなる群から選択される少なくとも1種の元素からなる第2群元素を含んでよい。 The amorphous chalcogenide thin film may include a second group element consisting of at least one element selected from the group consisting of Se, Te, and S, for example.

アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、As、Sb及びNからなる群から選択される少なくとも1種の元素からなる第3群元素を含んでよい。 The amorphous chalcogenide thin film may contain a third group element consisting of at least one element selected from the group consisting of As, Sb, and N.

非線形抵抗層503の膜厚は特に限定されない。膜厚が厚くなる程、素子抵抗が低抵抗になる第1閾電圧は高くなり、また、高抵抗状態でのリーク電流は小さくなる傾向がある。従って、非線形抵抗層503の組成等の材質から決まる特性と、必要とされる非線形抵抗素子の電気特性とに合わせて、非線形抵抗層503の膜厚が調整される。非線形抵抗層503の膜厚は、例えば、5nm~50nmに設定してよい。 The thickness of the nonlinear resistance layer 503 is not particularly limited. As the thickness increases, the first threshold voltage at which the element resistance becomes low tends to increase, and the leakage current in the high resistance state tends to decrease. Therefore, the thickness of the nonlinear resistance layer 503 is adjusted according to the characteristics determined by the material, such as the composition of the nonlinear resistance layer 503, and the required electrical characteristics of the nonlinear resistance element. The thickness of the nonlinear resistance layer 503 may be set to, for example, 5 nm to 50 nm.

第1電極501及び第2電極505の材料としては、例えば、Cu、Al、Ti、Zr、Ta、Nb、Mo、W、Hf、及びV、並びにそれらの窒化物を用いることができる。 Materials for the first electrode 501 and the second electrode 505 can be, for example, Cu, Al, Ti, Zr, Ta, Nb, Mo, W, Hf, and V, as well as nitrides thereof.

第1電極501の材料は、第2電極505の材料と同一であってよく、異なっていてもよい。 The material of the first electrode 501 may be the same as or different from the material of the second electrode 505.

第1電極501の下方(すなわち、第1電極501の第1拡散バリア層502を有する側とは反対側)には、下部配線が備えられていてよい。下部配線の材料としては、Cu、Al又はWのいずれか1種の元素を主成分とする金属を用いてよい。 A lower wiring may be provided below the first electrode 501 (i.e., on the side of the first electrode 501 opposite to the side having the first diffusion barrier layer 502). The material of the lower wiring may be a metal mainly composed of one of Cu, Al, or W.

以下、変形例の非線形抵抗素子500の具体的な形成方法を示す。
第1電極501として、例えば、膜厚10nmのTiN膜を基板上に堆積する。
TiN膜の成膜方法としては、DCスパッタリング法を用いることができる。例えば、5×10-6Pa程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン(Ar)ガスと窒素(N)ガスを導入し、チタン(Ti)ターゲットに500W~2kWの直流(DC)電力を印加することにより、TiN膜を堆積する。
A specific method for forming the modified nonlinear resistance element 500 will be described below.
As the first electrode 501, for example, a TiN film having a thickness of 10 nm is deposited on the substrate.
The TiN film can be formed by DC sputtering. For example, argon (Ar) gas and nitrogen (N 2 ) gas are introduced into a sputtering chamber depressurized to about 5×10 −6 Pa, and a direct current (DC) power of 500 W to 2 kW is applied to a titanium (Ti) target to deposit the TiN film.

次に、第1拡散バリア層502を形成する。
第1拡散バリア層502としては、例えば、膜厚2nmのRu膜を堆積する。
Ti膜の成膜方法としては、DCスパッタリング法を用いることができる。例えば、5×10-6Pa程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン(Ar)ガスのみを導入し、ルテニウム(Ru)ターゲットに500W~2kWの直流(DC)電力を印加することにより、第1電極501上にRu膜を堆積する。
Next, a first diffusion barrier layer 502 is formed.
As the first diffusion barrier layer 502, for example, a Ru film having a thickness of 2 nm is deposited.
The Ti film can be formed by DC sputtering. For example, only argon (Ar) gas is introduced into a sputtering chamber depressurized to about 5×10 −6 Pa, and a direct current (DC) power of 500 W to 2 kW is applied to a ruthenium (Ru) target to deposit a Ru film on the first electrode 501.

なお、第1電極501及び第1拡散バリア層502は、ガスとターゲットを切り替えることで、同一真空中において連続的に形成することができる。 The first electrode 501 and the first diffusion barrier layer 502 can be formed consecutively in the same vacuum by switching the gas and target.

次に、非線形抵抗層503を形成する。
非線形抵抗層503としては、例えば、Ge-As-Se系の膜厚20nmのカルコゲナイドのアモルファス膜(アモルファス・カルコゲナイド薄膜)を堆積する。
アモルファス・カルコゲナイド薄膜の成膜方法としては、Siターゲットと、例えば、Ge-As-Se化合物ターゲット(カルゴゲナイドターゲット)を用いた同時スパッタリング法を用いることができる。例えば、1×10-6Pa程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン(Ar)ガスを導入し、Siターゲットに10W~500WのDC電力又はRF電力を印加し、カルゴゲナイドターゲットに100W~2kWのRF電力を印加する。カルゴゲナイドターゲット化合物ターゲットの組成、あるいは、同時スパッタリングする際のSiターゲットとカルゴゲナイドターゲットに印加する電力を調整することにより、非線形抵抗層503の組成を調整することができる。また、同時スパッタリングする際に、アルゴン(Ar)ガスに加えて窒素(N)ガスを用いると、非線形抵抗層503に窒素を添加することができる。
Next, the nonlinear resistance layer 503 is formed.
As the nonlinear resistance layer 503, for example, a Ge--As--Se based amorphous chalcogenide film (amorphous chalcogenide thin film) having a thickness of 20 nm is deposited.
As a method for forming an amorphous chalcogenide thin film, a simultaneous sputtering method using a Si target and, for example, a Ge-As-Se compound target (chalcogenide target) can be used. For example, argon (Ar) gas is introduced into a sputtering chamber decompressed to about 1×10 −6 Pa, DC power or RF power of 10 W to 500 W is applied to the Si target, and RF power of 100 W to 2 kW is applied to the chalcogenide target. The composition of the chalcogenide target compound target or the power applied to the Si target and the chalcogenide target during simultaneous sputtering can be adjusted to adjust the composition of the nonlinear resistance layer 503. In addition, when nitrogen (N 2 ) gas is used in addition to argon (Ar) gas during simultaneous sputtering, nitrogen can be added to the nonlinear resistance layer 503.

なお、第1拡散バリア層502及び非線形抵抗層503は、ガスとターゲットを切り替えることで、同一真空中において連続的に形成することができる。 The first diffusion barrier layer 502 and the nonlinear resistance layer 503 can be formed consecutively in the same vacuum by switching the gas and target.

次に、第2拡散バリア層504を形成する。
第1拡散バリア層504としては、例えば、膜厚2nmのRu膜を堆積する。
Ti膜の成膜方法としては、DCスパッタリング法を用いることができる。例えば、5×10-6Pa程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン(Ar)ガスのみを導入し、ルテニウム(Ru)ターゲットに500W~2kWの直流(DC)電力を印加することにより、非線形抵抗層503上にRu膜を堆積する。
Next, a second diffusion barrier layer 504 is formed.
As the first diffusion barrier layer 504, for example, a Ru film having a thickness of 2 nm is deposited.
The Ti film can be formed by DC sputtering. For example, only argon (Ar) gas is introduced into a sputtering chamber depressurized to about 5×10 −6 Pa, and a direct current (DC) power of 500 W to 2 kW is applied to a ruthenium (Ru) target to deposit a Ru film on the nonlinear resistance layer 503.

なお、非線形抵抗層503及び第2拡散バリア層504は、ガスとターゲットを切り替えることで、同一真空中において連続的に形成することができる。 The nonlinear resistance layer 503 and the second diffusion barrier layer 504 can be formed consecutively in the same vacuum by switching the gas and target.

次に、第2電極505を形成する。
第2電極505としては、例えば、膜厚25nmのTiN膜を堆積する。
第2電極505の成膜方法としては、第1電極501と同様に、アルゴン(Ar)ガスと窒素(N)ガスを用いた、DCスパッタリング法を用いる。
Next, the second electrode 505 is formed.
As the second electrode 505, for example, a TiN film having a thickness of 25 nm is deposited.
The second electrode 505 is formed by DC sputtering using argon (Ar) gas and nitrogen (N 2 ) gas, similarly to the first electrode 501 .

なお、第2拡散バリア層504及び第2電極505は、ガスとターゲットを切り替えることで、同一真空中において連続的に形成することができる。 The second diffusion barrier layer 504 and the second electrode 505 can be formed consecutively in the same vacuum by switching the gas and target.

上述の形成方法によって得られた積層体を素子化するためには、いわゆるフォトリソグラフィー及びドライエッチングによる微細加工技術を用いることが好適である。
また、第1電極501を成膜する前に、絶縁膜に埋め込まれた下部配線を予め形成しておいてもよい。下部配線は更に絶縁膜で被覆され、開口部を介して、第1電極501と電気的に接続される。
In order to fabricate a device from the laminate obtained by the above-mentioned forming method, it is preferable to use a microfabrication technique using so-called photolithography and dry etching.
Furthermore, a lower wiring buried in an insulating film may be formed in advance before forming the first electrode 501. The lower wiring is further covered with an insulating film and is electrically connected to the first electrode 501 through the opening.

以下、変形例に関連する態様について付記する。
(付記1)
第1電極と、
第1拡散バリア層と、
アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる非線形抵抗層と、
第2拡散バリア層と、
第2電極とを備え、
第1電極、第1拡散バリア層、非線形抵抗層、第2拡散バリア層、及び第2電極がこの順に積層された、
非線形抵抗素子。
(付記2)
アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、Ge及びSiの少なくとも1種の元素からなる第1群元素と、Se、Te及びSからなる群から選択される少なくとも1種の元素からなる第2群元素とを含む、付記1に記載の非線形抵抗素子。
(付記3)
アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、As、Sb及びNからなる群から選択される少なくとも1種の元素からなる第3群元素を含む、付記1又は付記2に記載の非線形抵抗素子。
(付記4)
付記1~付記3のいずれか1つに記載の非線形抵抗素子の製造方法であって、
第1電極と、
第1拡散バリア層と、
アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる非線形抵抗層と、
第2拡散バリア層と、
第2電極とを、この順に同一真空内で積層する、
非線形抵抗素子の製造方法。
Below, aspects related to the modified examples will be additionally described.
(Appendix 1)
A first electrode;
a first diffusion barrier layer;
a nonlinear resistance layer made of an amorphous chalcogenide thin film;
a second diffusion barrier layer;
a second electrode;
a first electrode, a first diffusion barrier layer, a nonlinear resistance layer, a second diffusion barrier layer, and a second electrode laminated in this order;
A nonlinear resistive element.
(Appendix 2)
A nonlinear resistance element as described in Appendix 1, wherein the amorphous chalcogenide thin film includes a first group element consisting of at least one element of Ge and Si, and a second group element consisting of at least one element selected from the group consisting of Se, Te, and S.
(Appendix 3)
The nonlinear resistance element according to claim 1 or 2, wherein the amorphous chalcogenide thin film contains a third group element consisting of at least one element selected from the group consisting of As, Sb, and N.
(Appendix 4)
A method for manufacturing a nonlinear resistance element according to any one of claims 1 to 3, comprising the steps of:
A first electrode;
a first diffusion barrier layer;
a nonlinear resistance layer made of an amorphous chalcogenide thin film;
a second diffusion barrier layer;
a first electrode and a second electrode are laminated in this order in the same vacuum.
A method for manufacturing a nonlinear resistance element.

(第2実施形態)
第2施形態は、本開示の第2の例として、集積回路内に作り込まれた非線形抵抗素子に関する。
Second Embodiment
The second embodiment, as a second example of the present disclosure, relates to a nonlinear resistance element fabricated in an integrated circuit.

上述のような非線形抵抗素子を集積回路内に作り込む場合には、一般的な集積回路プロセスとの整合性を確保する必要がある。一般的に遷移金属の窒化物は、金属単体に比べて、酸化、腐食性ガス、及びそれらのプラズマに耐性があり、かつ、リソグラフィー、及びドライエッチングの工程との整合性が高い。従って、非線形抵抗素子を集積回路内に作り込む場合には、集積回路プロセスと整合させるために、非線形抵抗素子の上面、また、下面を金属窒化物で覆っておくことが好適である。 When fabricating a nonlinear resistance element as described above into an integrated circuit, it is necessary to ensure compatibility with general integrated circuit processes. In general, transition metal nitrides are more resistant to oxidation, corrosive gases, and their plasma than simple metals, and are highly compatible with lithography and dry etching processes. Therefore, when fabricating a nonlinear resistance element into an integrated circuit, it is preferable to cover the upper and lower surfaces of the nonlinear resistance element with metal nitride in order to ensure compatibility with the integrated circuit process.

図7は、集積回路内に作り込まれた非線形抵抗素子600を示す断面図である。
図7に示すように、非線形抵抗素子600は、第1電極601と、第1非線形抵抗層602と、中間層603と、第2非線形抵抗層604と、第2電極605と、第1絶縁膜606と、第2絶縁膜607と、Cu電極608と、基板609と、を有する。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a nonlinear resistance element 600 fabricated in an integrated circuit.
As shown in FIG. 7, the nonlinear resistance element 600 has a first electrode 601, a first nonlinear resistance layer 602, an intermediate layer 603, a second nonlinear resistance layer 604, a second electrode 605, a first insulating film 606, a second insulating film 607, a Cu electrode 608, and a substrate 609.

基板609上にCu電極608が形成され、Cu電極608が第1絶縁膜606と第2絶縁膜607とで埋め込まれている。第2絶縁膜607には開口部が設けられ、開口部を覆うように第1電極601としてTiN膜が形成されている。TiN膜によりCu電極608が覆われているため、第1非線形抵抗層602、中間層603、第2非線形抵抗層604、第2電極605等を成膜中に、Cu電極608が酸化、あるいは、腐食されることを防ぐことができる。第1電極601の上には、第1非線形抵抗層602として、アモルファス・カルコゲナイド薄膜が形成され、第1非線形抵抗層602の上には、中間層603として、例えば、Ti膜が形成されている。中間層603の上には、第2非線形抵抗層604として、アモルファス・カルコゲナイド薄膜が形成されている。また、第2非線形抵抗層604の上には、第2電極605としてTiN膜が形成されている。 A Cu electrode 608 is formed on a substrate 609, and the Cu electrode 608 is embedded in a first insulating film 606 and a second insulating film 607. An opening is provided in the second insulating film 607, and a TiN film is formed as a first electrode 601 so as to cover the opening. Since the Cu electrode 608 is covered with the TiN film, the Cu electrode 608 can be prevented from being oxidized or corroded during the formation of the first nonlinear resistance layer 602, the intermediate layer 603, the second nonlinear resistance layer 604, the second electrode 605, and the like. An amorphous chalcogenide thin film is formed as the first nonlinear resistance layer 602 on the first electrode 601, and a Ti film, for example, is formed as the intermediate layer 603 on the first nonlinear resistance layer 602. An amorphous chalcogenide thin film is formed as the second nonlinear resistance layer 604 on the intermediate layer 603. In addition, a TiN film is formed on the second nonlinear resistance layer 604 as a second electrode 605.

第1電極601、第1非線形抵抗層602、中間層603、第2非線形抵抗層604、及び第2電極605の材質の詳細は、第1電極、第1非線形抵抗層、中間層、第2非線形抵抗層、及び第2電極について第1実施形態で上述した通りである。 Details of the materials of the first electrode 601, the first nonlinear resistance layer 602, the intermediate layer 603, the second nonlinear resistance layer 604, and the second electrode 605 are as described above in the first embodiment for the first electrode, the first nonlinear resistance layer, the intermediate layer, the second nonlinear resistance layer, and the second electrode.

非線形抵抗素子600は、更に絶縁膜(不図示)で埋め込まれ、その絶縁膜には、第2電極605に至るスルーホール(不図示)が形成される。スルーホール形成時のエッチングストッパー、及び電気コンタクト材料として、TiNに代表される金属窒化物は、プロセス整合性、及び電気特性の観点でも優れている。なお、第1電極601及び第2電極605を構成する窒化物材料は、それぞれ、中間層603を構成する電極材料の金属窒化物とすると、成膜装置の構成、及び効率的な製造工程を構成する上で好適である。 The nonlinear resistance element 600 is further embedded in an insulating film (not shown), and a through hole (not shown) is formed in the insulating film to reach the second electrode 605. Metal nitrides such as TiN are excellent in terms of process compatibility and electrical properties as an etching stopper and electrical contact material when forming the through hole. In addition, if the nitride materials constituting the first electrode 601 and the second electrode 605 are each the metal nitride of the electrode material constituting the intermediate layer 603, this is preferable in terms of the configuration of the film formation device and the configuration of an efficient manufacturing process.

(第3実施形態)
第3実施形態は、本開示の第3の例として、第1実施形態で説明した非線形抵抗素子と不揮発性の抵抗変化素子とを含むスイッチング素子を有するクロスバースイッチに関するものである。
Third Embodiment
The third embodiment relates to a crossbar switch having switching elements including the nonlinear resistance elements and nonvolatile resistance change elements described in the first embodiment, as a third example of the present disclosure.

スイッチング素子は、論理回路の信号経路中に設けられており、2つの2端子型の本開示に係る非線形抵抗素子と、2つの2端子型の不揮発性抵抗変化素子と、を有している。また、2つの2端子型の不揮発性抵抗変化素子のそれぞれの一方の端子が、互いに接続され、かつ、2つの2端子型の非線形抵抗素子のそれぞれの一方の電極と接続されている。 The switching element is provided in the signal path of the logic circuit, and has two two-terminal type nonlinear resistance elements according to the present disclosure and two two-terminal type nonvolatile resistance change elements. In addition, one terminal of each of the two two-terminal type nonvolatile resistance change elements is connected to each other and to one electrode of each of the two two-terminal type nonlinear resistance elements.

不揮発性の抵抗変化素子は、活性電極と、不活性電極と、当該活性電極及び不活性電極に挟まれた抵抗変化膜とで構成された2端子型の素子である。詳細は、特表2016-203751号公報等に開示されている。 The nonvolatile resistance change element is a two-terminal element consisting of an active electrode, an inactive electrode, and a resistance change film sandwiched between the active electrode and the inactive electrode. Details are disclosed in JP-A-2016-203751 and other publications.

図8は、第3実施形態のクロスバースイッチ700の構成の一例を示す等価回路図である。
図8に示すように、第3実施形態のクロスバースイッチ700は、アレイ状に設けられた複数のスイッチング素子730を有する。スイッチング素子730は、論理回路の信号経路中に設けられたスイッチング素子に相当する。
スイッチング素子730は、不揮発性抵抗変化素子731及び732と、非線形抵抗素子721及び722とを有する。非線形抵抗素子721及び722は、それぞれ、第1実施形態で示した非線形抵抗素子100に相当する2端子型の素子である。
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram showing an example of the configuration of the crossbar switch 700 according to the third embodiment.
8, the crossbar switch 700 of the third embodiment has a plurality of switching elements 730 arranged in an array. The switching elements 730 correspond to switching elements provided in the signal paths of a logic circuit.
The switching element 730 has nonvolatile variable resistance elements 731 and 732, and nonlinear resistance elements 721 and 722. The nonlinear resistance elements 721 and 722 are each a two-terminal element corresponding to the nonlinear resistance element 100 shown in the first embodiment.

不揮発性抵抗変化素子731及び732は、それぞれの不活性電極同士が接続されている。不揮発性抵抗変化素子731の活性電極は、第1配線741に接続されている。
不揮発性抵抗変化素子732の活性電極は、第2配線742に接続されている。
非線形抵抗素子721の2つの電極のうち、一方の電極が不揮発性抵抗変化素子731の不活性電極に接続され、他方の電極が第3配線743に接続されている。
非線形抵抗素子722の2つの電極のうち、一方の電極が不揮発性抵抗変化素子732の不活性電極に接続され、他方の電極が第4配線744に接続されている。
図8に示す例では、第1配線741と第3配線743が平行に配置され、第2配線742と第4配線744が平行に配置されている。第1配線741及び第3配線743は、他の2つの配線(第2配線742及び第4配線744)と直交している。
The nonvolatile resistance change elements 731 and 732 have their inactive electrodes connected to each other. The active electrode of the nonvolatile resistance change element 731 is connected to a first wiring 741.
The active electrode of the nonvolatile resistance change element 732 is connected to the second wiring 742 .
Of the two electrodes of the non-linear resistance element 721 , one electrode is connected to an inactive electrode of the non-volatile resistance change element 731 , and the other electrode is connected to a third wiring 743 .
Of the two electrodes of the non-linear resistance element 722 , one electrode is connected to the inactive electrode of the non-volatile resistance change element 732 , and the other electrode is connected to a fourth wiring 744 .
8, the first wiring 741 and the third wiring 743 are arranged in parallel, and the second wiring 742 and the fourth wiring 744 are arranged in parallel. The first wiring 741 and the third wiring 743 are perpendicular to the other two wirings (the second wiring 742 and the fourth wiring 744).

次に、図8に示すスイッチング素子730のプログラミングの方法を説明する。
不揮発性抵抗変化素子731をON状態(低抵抗状態)へ遷移させる場合、第3配線743をグラウンドに接地し、第1配線741に閾値電圧(セット電圧)以上の正電圧を印加する。
一方、不揮発性抵抗変化素子731をON状態からOFF状態(高抵抗状態)へ遷移させる場合、第1配線741をグラウンドに接地し、第3配線743に閾値電圧(リセット電圧)以上の正電圧を印加する。
また、不揮発性抵抗変化素子732をON状態へ遷移させる場合、第4配線744をグラウンドに接地し、第2配線742に閾値電圧(セット電圧)以上の正電圧を印加する。
一方、不揮発性抵抗変化素子732をON状態からOFF状態へ遷移させる場合、第2配線742をグラウンドに接地し、第4配線744に閾値電圧(リセット電圧)以上の正電圧を印加する。
このようにして、不揮発性抵抗変化素子731のプログラミングは非線形抵抗素子721を介して行い、不揮発性抵抗変化素子732のプログラミングは非線形抵抗素子722を介して行うことができる。
Next, a method of programming the switching element 730 shown in FIG. 8 will be described.
When the nonvolatile resistance change element 731 is transitioned to the ON state (low resistance state), the third wiring 743 is grounded, and a positive voltage equal to or greater than the threshold voltage (set voltage) is applied to the first wiring 741 .
On the other hand, when the nonvolatile resistance change element 731 is transitioned from the ON state to the OFF state (high resistance state), the first wiring 741 is grounded and a positive voltage equal to or greater than the threshold voltage (reset voltage) is applied to the third wiring 743 .
Moreover, when the nonvolatile resistance change element 732 is transitioned to the ON state, the fourth wiring 744 is grounded, and a positive voltage equal to or greater than the threshold voltage (set voltage) is applied to the second wiring 742 .
On the other hand, when the nonvolatile resistance change element 732 is changed from the ON state to the OFF state, the second wiring 742 is grounded, and a positive voltage equal to or higher than the threshold voltage (reset voltage) is applied to the fourth wiring 744 .
In this manner, the nonvolatile resistance change element 731 can be programmed via the nonlinear resistance element 721 , and the nonvolatile resistance change element 732 can be programmed via the nonlinear resistance element 722 .

上述したように、本開示の第1実施形態の非線形抵抗素子は優れた非線形性を有している。そのため、プログラミング対象の不揮発性抵抗変化素子を選択するための2端子の選択素子として第1実施形態の非線形抵抗素子を用いることで、スイッチング素子の誤書き込み及び誤動作を防止することが可能となる。その結果、選択トランジスタを用いない不揮発スイッチング素子を実現でき、集積度及び高信頼性に優れたクロスバースイッチを提供することができる。これにより、優れたFPGAを製造できる。 As described above, the nonlinear resistance element of the first embodiment of the present disclosure has excellent nonlinearity. Therefore, by using the nonlinear resistance element of the first embodiment as a two-terminal selection element for selecting the nonvolatile resistance change element to be programmed, it is possible to prevent erroneous writing and malfunction of the switching element. As a result, a nonvolatile switching element that does not use a selection transistor can be realized, and a crossbar switch with excellent integration density and high reliability can be provided. This makes it possible to manufacture an excellent FPGA.

(第4実施形態)
第4実施形態は、本開示の第4の例として、第3実施形態で説明した非線形抵抗素子と不揮発性の抵抗変化素子とを含むスイッチング素子を具現化するための素子構造に関する。
Fourth Embodiment
The fourth embodiment relates to an element structure for realizing a switching element including the nonlinear resistance element and the nonvolatile resistance change element described in the third embodiment, as a fourth example of the present disclosure.

図9は、半導体装置800の素子構造の一例を示す断面図である。
図9に示す半導体装置800は、スイッチング素子822a及び822bを有する。
スイッチング素子822aは、不揮発性抵抗変化素子の活性電極(第1配線805a)と、不揮発性抵抗変化素子の抵抗変化膜809と、第1電極810と、非線形抵抗層811と、第2電極812とを有する。
第1電極810は、不揮発性抵抗変化素子の不活性電極と、非線形抵抗素子の第1電極(図1に示す第1電極101に相当)とを、兼ね備えた多層膜である。
また、第2電極812は、非線形抵抗素子の第2電極(図1に示す第2電極105に相当)である。
また、非線形抵抗層811は、非線形抵抗素子の第1非線形抵抗層(図1に示す第1非線形抵抗層102に相当)と、非線形抵抗素子の中間層(図1に示す中間層103に相当)と、非線形抵抗素子の第2非線形抵抗層(図1に示す第1非線形抵抗層104に相当)とを、兼ね備えた多層膜である。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of an element structure of a semiconductor device 800. As shown in FIG.
A semiconductor device 800 shown in FIG. 9 includes switching elements 822a and 822b.
The switching element 822 a has an active electrode (first wiring 805 a ) of the nonvolatile resistance change element, a resistance change film 809 of the nonvolatile resistance change element, a first electrode 810 , a nonlinear resistance layer 811 , and a second electrode 812 .
The first electrode 810 is a multilayer film that functions as both an inactive electrode of the nonvolatile resistance change element and a first electrode of the nonlinear resistance element (corresponding to the first electrode 101 shown in FIG. 1).
The second electrode 812 is a second electrode of the nonlinear resistance element (corresponding to the second electrode 105 shown in FIG. 1).
In addition, the nonlinear resistance layer 811 is a multilayer film that combines the first nonlinear resistance layer of the nonlinear resistance element (corresponding to the first nonlinear resistance layer 102 shown in Figure 1), the intermediate layer of the nonlinear resistance element (corresponding to the intermediate layer 103 shown in Figure 1), and the second nonlinear resistance layer of the nonlinear resistance element (corresponding to the first nonlinear resistance layer 104 shown in Figure 1).

活性電極(第1配線805a)と、抵抗変化膜809と、第1電極810とから、不揮発性抵抗変化素子が形成され、第1電極810と、非線形抵抗層811と、第2電極812とから、非線形抵抗素子が形成されている。図9に示す積層体840は、抵抗変化膜809、第1電極810、非線形抵抗層811及び第2電極812に相当する。
スイッチング素子822bは、スイッチング素子822aと同様に、活性電極(第1配線805b)と、抵抗変化膜809と、第1電極810と、非線形抵抗層811と、第2電極812とを有する。
A nonvolatile resistance change element is formed from the active electrode (first wiring 805a), the resistance change film 809, and the first electrode 810, and a nonlinear resistance element is formed from the first electrode 810, the nonlinear resistance layer 811, and the second electrode 812. A stacked body 840 shown in FIG. 9 corresponds to the resistance change film 809, the first electrode 810, the nonlinear resistance layer 811, and the second electrode 812.
The switching element 822 b has an active electrode (first wiring 805 b ), a resistance change film 809 , a first electrode 810 , a nonlinear resistance layer 811 , and a second electrode 812 , similar to the switching element 822 a .

スイッチング素子822a及び822bは、抵抗変化膜809、第1電極810及び非線形抵抗層811を共用している構成である。また、スイッチング素子822a及び822bのそれぞれに制御電極の役目を果たす第2電極812が設けられている。スイッチング素子822aの第2電極812は、バリアメタル820a及びプラグ819aを介して、第2配線818aと接続されている。第2配線818aはプラグ819aと一体になっている。スイッチング素子822bの第2電極812は、バリアメタル820b及びプラグ819bを介して第2配線818bと接続されている。第2配線818bはプラグ819bと一体になっている。 The switching elements 822a and 822b share the resistance change film 809, the first electrode 810, and the nonlinear resistance layer 811. In addition, the switching elements 822a and 822b each have a second electrode 812 that serves as a control electrode. The second electrode 812 of the switching element 822a is connected to the second wiring 818a via the barrier metal 820a and the plug 819a. The second wiring 818a is integrated with the plug 819a. The second electrode 812 of the switching element 822b is connected to the second wiring 818b via the barrier metal 820b and the plug 819b. The second wiring 818b is integrated with the plug 819b.

図9に示すように、多層配線構造は、半導体基板(不図示)上に、層間絶縁膜802、バリア絶縁膜803、層間絶縁膜804、絶縁性バリア膜807、保護絶縁膜814、層間絶縁膜817、ハードマスク膜816、及びバリア絶縁膜821の順に積層した絶縁積層体を有する。多層配線構造は、第1配線805a及び805bと、第2配線818a及び818bとを有する。第1配線805a及び805bは、層間絶縁膜804及びバリア絶縁膜803に形成された配線溝にバリアメタル806a及び806bを介して、埋め込まれている。第2配線818a及び818b、並びにプラグ819a及び819bは、層間絶縁膜817及びハードマスク膜816に形成された配線溝に埋め込まれている。第2配線818aとプラグ819aとが一体となっており、第2配線818a及びプラグ819aの側面及び底面がバリアメタル820aによって覆われている。 9, the multilayer wiring structure has an insulating laminate in which an interlayer insulating film 802, a barrier insulating film 803, an interlayer insulating film 804, an insulating barrier film 807, a protective insulating film 814, an interlayer insulating film 817, a hard mask film 816, and a barrier insulating film 821 are laminated in this order on a semiconductor substrate (not shown). The multilayer wiring structure has first wirings 805a and 805b and second wirings 818a and 818b. The first wirings 805a and 805b are embedded in wiring grooves formed in the interlayer insulating film 804 and the barrier insulating film 803 via barrier metals 806a and 806b. The second wirings 818a and 818b and plugs 819a and 819b are embedded in wiring grooves formed in the interlayer insulating film 817 and the hard mask film 816. The second wiring 818a and the plug 819a are integrated, and the side and bottom surfaces of the second wiring 818a and the plug 819a are covered with a barrier metal 820a.

絶縁性バリア膜807に形成された開口部にスイッチング素子822a及び822bそれぞれの不揮発性抵抗変化素子の活性電極となる第1配線805a及び805bの上面の一部が露出している。絶縁性バリア膜807の開口部の壁面及び絶縁性バリア膜807上に、抵抗変化膜809、第1電極810、非線形抵抗層811及び第2電極812が順に積層されている。スイッチング素子822a及び822bは、非線形抵抗素子付き相補型抵抗変化素子である。 A portion of the upper surface of the first wirings 805a and 805b, which serve as the active electrodes of the nonvolatile resistance change elements of the switching elements 822a and 822b, is exposed in an opening formed in the insulating barrier film 807. A resistance change film 809, a first electrode 810, a nonlinear resistance layer 811, and a second electrode 812 are laminated in this order on the wall surface of the opening in the insulating barrier film 807 and on the insulating barrier film 807. The switching elements 822a and 822b are complementary resistance change elements with a nonlinear resistance element.

第2電極812を所望の形状に加工した後に、保護絶縁膜814が形成される。図9に示した素子構造では、抵抗変化膜809、第1電極810、非線形抵抗層811及び第2電極812からなる積層体840の側面が保護絶縁膜814で覆われている。第1配線805a及び805bが不揮発性抵抗変化素子の活性電極の役目を兼ねることで、製造工程数を簡略化し、かつ、電極抵抗を下げることができる。通常のCuダマシン配線プロセスに対する追加工程として、少なくとも2枚のマスクセットを作製するだけで、不揮発性抵抗変化素子を搭載することができ、素子の低抵抗化と低コスト化を同時に達成することができる。 After processing the second electrode 812 into a desired shape, a protective insulating film 814 is formed. In the element structure shown in FIG. 9, the side of the laminate 840 consisting of the resistance change film 809, the first electrode 810, the nonlinear resistance layer 811, and the second electrode 812 is covered with a protective insulating film 814. The first wirings 805a and 805b also serve as active electrodes of the nonvolatile resistance change element, which simplifies the number of manufacturing steps and reduces the electrode resistance. By simply fabricating at least two mask sets as an additional step to the normal Cu damascene wiring process, the nonvolatile resistance change element can be mounted, and low resistance and low cost of the element can be achieved at the same time.

スイッチング素子822a及び822bに用いられる抵抗変化型不揮発素子は、第4実施形態では、イオン伝導体中における金属イオン移動と電気化学反応とを利用している。不揮発性抵抗変化素子は、電圧の印加、あるいは電流を流すことでオン/オフの制御を行う。不揮発性抵抗変化素子は、例えば、抵抗変化膜809中への第1配線805a及び805bに係る金属の電界拡散を利用してオン/オフの制御を行う。 In the fourth embodiment, the variable resistance non-volatile elements used for the switching elements 822a and 822b utilize metal ion migration and electrochemical reactions in an ion conductor. The non-volatile variable resistance elements are controlled to be on/off by applying a voltage or passing a current. The non-volatile variable resistance elements are controlled to be on/off by, for example, electrodiffusion of metal related to the first wirings 805a and 805b into the variable resistance film 809.

図9に示す各膜の構成について説明する。
図9に不図示の半導体基板は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、SOI(Silicon on Insulator)基板、TFT(Thin Film Transistor)基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。
The structure of each film shown in FIG. 9 will be described.
9 is a substrate on which a semiconductor element is formed. For example, a silicon substrate, a single crystal substrate, a silicon on insulator (SOI) substrate, a thin film transistor (TFT) substrate, a substrate for manufacturing liquid crystal, or the like can be used as the semiconductor substrate.

層間絶縁膜802は、半導体基板上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜802には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)等を用いることができる。層間絶縁膜802は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。
層間絶縁膜804には、層間絶縁膜802と同種の膜を用いることが可能である。
The interlayer insulating film 802 is an insulating film formed on a semiconductor substrate. For example, a silicon oxide film or a low dielectric constant film (e.g., a SiOCH film) having a lower relative dielectric constant than a silicon oxide film can be used for the interlayer insulating film 802. The interlayer insulating film 802 may be a laminate of a plurality of insulating films.
The interlayer insulating film 804 may be made of the same type of film as the interlayer insulating film 802 .

バリア絶縁膜803は、層間絶縁膜802と層間絶縁膜804との間に設けられた、バリア性を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜803は、第1配線805a及び805bを配線溝に形成する際にエッチングストップ層としての役割を有する。バリア絶縁膜803としては、例えば、SiN膜、SiC膜、SiCN膜等を用いることができる。 The barrier insulating film 803 is an insulating film having barrier properties and provided between the interlayer insulating film 802 and the interlayer insulating film 804. The barrier insulating film 803 serves as an etching stop layer when the first wirings 805a and 805b are formed in the wiring trenches. As the barrier insulating film 803, for example, a SiN film, a SiC film, a SiCN film, or the like can be used.

絶縁性バリア膜807は、層間絶縁膜804上に形成された絶縁膜である。絶縁性バリア膜807には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)等を用いることができる。絶縁性バリア膜807は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。 The insulating barrier film 807 is an insulating film formed on the interlayer insulating film 804. For example, a silicon oxide film or a low dielectric constant film (e.g., a SiOCH film) having a lower relative dielectric constant than a silicon oxide film can be used for the insulating barrier film 807. The insulating barrier film 807 may be a laminate of multiple insulating films.

層間絶縁膜804及びバリア絶縁膜803には、第1配線805a及び805bを埋め込むための配線溝が形成されており、その配線溝にバリアメタル806a及び806bを介して第1配線805a及び805bが埋め込まれている。
第1配線805a及び805bは、層間絶縁膜804及びバリア絶縁膜803に形成された配線溝にバリアメタル806a及び806bを介して埋め込まれた配線である。第1配線805a及び805bは、スイッチング素子822a及び822bの不揮発性抵抗変化素子の活性電極を兼ね、抵抗変化膜809と接触している。なお、第1配線805a及び805bと抵抗変化膜809との間には、電極層等が挿入されていてもよい。電極層が形成される場合は、電極層及び抵抗変化膜809は連続工程にて堆積され、連続工程にて加工される。また、抵抗変化膜809の下部がコンタクトプラグを介して下層配線に接続されることはない。第1配線805a及び805bには、抵抗変化膜809において拡散、イオン伝導が可能な金属が用いられ、例えば、Cu等を用いることができる。第1配線805a及び805bは、Al、Mn等と合金化されていてもよい。
In the interlayer insulating film 804 and the barrier insulating film 803, wiring trenches for burying first wirings 805a and 805b are formed, and the first wirings 805a and 805b are buried in the wiring trenches via barrier metals 806a and 806b.
The first wirings 805a and 805b are wirings embedded in wiring grooves formed in the interlayer insulating film 804 and the barrier insulating film 803 via barrier metals 806a and 806b. The first wirings 805a and 805b also serve as active electrodes of the nonvolatile resistance change elements of the switching elements 822a and 822b, and are in contact with the resistance change film 809. An electrode layer or the like may be inserted between the first wirings 805a and 805b and the resistance change film 809. When an electrode layer is formed, the electrode layer and the resistance change film 809 are deposited in a continuous process and processed in a continuous process. In addition, the lower part of the resistance change film 809 is not connected to the lower wiring via a contact plug. For the first wirings 805a and 805b, a metal capable of diffusion and ion conduction in the resistance change film 809 is used, and for example, Cu or the like can be used. The first wirings 805a and 805b may be alloyed with Al, Mn, or the like.

バリアメタル806a及び806bは、第1配線805a及び805bに係る金属が層間絶縁膜802及び下層へ拡散することを防止するために、第1配線805a及び805bの側面及び底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。例えば、第1配線805a及び805bがCuを主成分とする金属元素からなる場合には、バリアメタル806a及び806bには、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN)、炭窒化タングステン(WCN)のような高融点金属又はその窒化物等、あるいは、それらの積層膜を用いることができる。 The barrier metals 806a and 806b are conductive films having barrier properties that cover the side and bottom surfaces of the first wirings 805a and 805b in order to prevent the metal of the first wirings 805a and 805b from diffusing into the interlayer insulating film 802 and the lower layers. For example, when the first wirings 805a and 805b are made of metal elements mainly composed of Cu, the barrier metals 806a and 806b can be made of high-melting point metals such as tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), and tungsten carbonitride (WCN) or their nitrides, or a laminate film thereof.

絶縁性バリア膜807は、第1配線805a及び805bを含む層間絶縁膜804上に形成される絶縁膜である。絶縁性バリア膜807は、第1配線805a及び805bを構成する(例えば、Cu)の酸化を防いだり、層間絶縁膜804中への第1配線805a及び805bを構成する金属の拡散を防いだり、第2電極812、非線形抵抗層811、第1電極810及び抵抗変化膜809の加工時にエッチングストップ層としての役割を果たしたりする。絶縁性バリア膜807には、例えば、シリコン酸化膜(SiO)、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)等を用いることができる。また、絶縁性バリア膜807には、例えば、SiC膜、SiCN膜、SiN膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。絶縁性バリア膜807は、保護絶縁膜814及びハードマスク膜816と同一材料であることが好ましい。絶縁性バリア膜807は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。 The insulating barrier film 807 is an insulating film formed on the interlayer insulating film 804 including the first wirings 805a and 805b. The insulating barrier film 807 prevents oxidation of (e.g., Cu) constituting the first wirings 805a and 805b, prevents diffusion of the metal constituting the first wirings 805a and 805b into the interlayer insulating film 804, and serves as an etching stop layer when processing the second electrode 812, the nonlinear resistance layer 811, the first electrode 810, and the resistance change film 809. For the insulating barrier film 807, for example, a silicon oxide film (SiO x ), a low dielectric constant film having a lower relative dielectric constant than a silicon oxide film (e.g., a SiOCH film), or the like can be used. For the insulating barrier film 807, for example, a SiC film, a SiCN film, a SiN film, and a laminated structure thereof can be used. It is preferable that the insulating barrier film 807 is made of the same material as the protective insulating film 814 and the hard mask film 816. The insulating barrier film 807 may be a laminate of a plurality of insulating films.

絶縁性バリア膜807は、第1配線805a及び805b上にて開口部を有する。絶縁性バリア膜807の開口部においては、第1配線805a及び805bと抵抗変化膜809とが接している。絶縁性バリア膜807の開口部は、第1配線805a及び805bの領域内に形成されている。このようにすることで、凹凸の小さい第1配線805a及び805bの表面上に不揮発性抵抗変化素子を形成することができるようになる。絶縁性バリア膜807の開口部の壁面は、第1配線805a及び805bから離れるにしたがって広くなるテーパ面となっている。絶縁性バリア膜807の開口部のテーパ面は、第1配線805a及び805bの上面に対し85°以下に設定されている。このようにすることで、第1配線805a及び805bと抵抗変化膜809との接続部の外周(絶縁性バリア膜807の開口部の外周部付近)における電界集中が緩和され、絶縁耐性を向上させることができる。 The insulating barrier film 807 has an opening on the first wiring 805a and 805b. In the opening of the insulating barrier film 807, the first wiring 805a and 805b are in contact with the resistance change film 809. The opening of the insulating barrier film 807 is formed within the region of the first wiring 805a and 805b. In this way, it becomes possible to form a non-volatile resistance change element on the surface of the first wiring 805a and 805b, which has small unevenness. The wall surface of the opening of the insulating barrier film 807 is a tapered surface that becomes wider as it moves away from the first wiring 805a and 805b. The tapered surface of the opening of the insulating barrier film 807 is set to 85° or less with respect to the upper surface of the first wiring 805a and 805b. In this way, electric field concentration on the outer periphery of the connection between the first wirings 805a and 805b and the resistance change film 809 (near the outer periphery of the opening of the insulating barrier film 807) is alleviated, and the insulation resistance can be improved.

抵抗変化膜809は、抵抗が変化する膜である。抵抗変化膜809には、第1配線805a及び805b(不揮発性抵抗変化素子の下部電極(活性電極))に係る金属の作用(拡散、イオン伝導等)により抵抗が変化する材料を用いることができる。不揮発性抵抗変化素子の抵抗変化を金属イオンの析出によって行う場合には、抵抗変化膜809としてイオン伝導可能な膜が用いられる。例えば、Taを含む酸化物絶縁膜であるTa、TaSiO等を用いることができる。また、抵抗変化膜809は、下からTa、TaSiOの順に積層した積層構造とすることができる。このような積層構造とすることで、抵抗変化膜809を固体電解質として用いた場合には、低抵抗時(オン時)にイオン伝導層内部に形成される金属イオン(例えば、銅イオン)よる架橋を、Ta層で分断することで、オフ時に金属イオンを容易に回収することができるようになり、スイッチング特性を向上させることができる。抵抗変化膜809は、第1配線805a及び805b、絶縁性バリア膜807の開口部のテーパ面、並びに絶縁性バリア膜807上に形成されている。第1配線805a及び805bと抵抗変化膜809との接続部にある抵抗変化膜809の外周部分は、少なくとも絶縁性バリア膜807の開口部のテーパ面上に沿って設けられている。 The resistance change film 809 is a film whose resistance changes. For the resistance change film 809, a material whose resistance changes due to the action (diffusion, ion conduction, etc.) of the metal related to the first wiring 805a and 805b (lower electrode (active electrode) of the nonvolatile resistance change element) can be used. When the resistance change of the nonvolatile resistance change element is performed by deposition of metal ions, an ion-conductive film is used as the resistance change film 809. For example, Ta 2 O 5 , TaSiO, etc., which are oxide insulating films containing Ta, can be used. In addition, the resistance change film 809 can have a laminated structure in which Ta 2 O 5 and TaSiO are laminated in this order from the bottom. By making such a laminated structure, when the resistance change film 809 is used as a solid electrolyte, the bridge formed by the metal ion (for example, copper ion) formed inside the ion conduction layer at the time of low resistance (on time) can be broken by the Ta 2 O 5 layer, and the metal ion can be easily collected at the time of off, thereby improving the switching characteristics. The resistance change film 809 is formed on the first wirings 805a and 805b, the tapered surfaces of the openings of the insulating barrier film 807, and the insulating barrier film 807. The outer periphery of the resistance change film 809 at the connection portion between the first wirings 805a and 805b and the resistance change film 809 is provided at least along the tapered surfaces of the openings of the insulating barrier film 807.

多層構造の第1電極810のうち、抵抗変化膜809と直接接している下側の層には、第1配線805a及び805bに係る金属よりもイオン化し難く、抵抗変化膜809において拡散及びイオン伝導し難い金属が用いられることが好ましい。例えば、Pt、Ru等を用いることができる。また、Pt、Ru等の金属材料を主成分としたRuTa、RuTi等を用いてもよい。第1電極810は下側の面で抵抗変化膜809と直接接しており、上側の面で非線形抵抗層811に接している。多層構造の第1電極810のうち、非線形抵抗層と直接接している上側の層は、非線形抵抗素子の第1電極(図1に示す第1電極101に相当)である。第1電極810の上側の層の材質の詳細は、第1電極について第1実施形態で上述した通りである。 Of the first electrode 810 having a multi-layer structure, the lower layer in direct contact with the resistance change film 809 is preferably made of a metal that is less likely to ionize than the metal of the first wiring 805a and 805b and is less likely to diffuse and conduct ions in the resistance change film 809. For example, Pt, Ru, etc. can be used. RuTa, RuTi, etc., whose main component is a metal material such as Pt or Ru, may also be used. The first electrode 810 is in direct contact with the resistance change film 809 on its lower surface and in contact with the nonlinear resistance layer 811 on its upper surface. Of the first electrode 810 having a multi-layer structure, the upper layer in direct contact with the nonlinear resistance layer is the first electrode of the nonlinear resistance element (corresponding to the first electrode 101 shown in FIG. 1). Details of the material of the upper layer of the first electrode 810 are as described above for the first electrode in the first embodiment.

非線形抵抗層811は、第1非線形抵抗層、中間層、及び第2非線形抵抗層(図1に示す第1非線形抵抗層102、中間層103、及び第2非線形抵抗層104に相当)からなる多層膜である。非線形抵抗層811の材質の詳細は、第1非線形抵抗層、中間層、及び第2非線形抵抗層について第1実施形態で上述した通りである。 The nonlinear resistance layer 811 is a multilayer film consisting of a first nonlinear resistance layer, an intermediate layer, and a second nonlinear resistance layer (corresponding to the first nonlinear resistance layer 102, the intermediate layer 103, and the second nonlinear resistance layer 104 shown in FIG. 1). Details of the material of the nonlinear resistance layer 811 are as described above for the first nonlinear resistance layer, the intermediate layer, and the second nonlinear resistance layer in the first embodiment.

第2電極812は、非線形抵抗素子の第2電極(図1に示す第2電極105に相当)である。第2電極812は、上側の面でバリアメタル820a及び820bに接している。第2電極812の上層は、プラグ819a及び819bを形成するためのビアホールの加工を施す際にエッチングストッパーとして機能する。第2電極812の材質の詳細は、第2電極について第1実施形態で上述した通りである。 The second electrode 812 is the second electrode of the nonlinear resistance element (corresponding to the second electrode 105 shown in FIG. 1). The upper surface of the second electrode 812 is in contact with the barrier metals 820a and 820b. The upper layer of the second electrode 812 functions as an etching stopper when processing via holes to form the plugs 819a and 819b. Details of the material of the second electrode 812 are as described above for the second electrode in the first embodiment.

第2電極812は、バリアメタル820a及び820bを介してプラグ819a及び819bと電気的に接続されている。第2電極812とプラグ819a及び819b(厳密にはバリアメタル820a及び820b)とが接する領域の円の直径R2(又はその領域の面積)は、第1配線805a及び805bと抵抗変化膜809とが接する領域の円の直径R1(又はその領域の面積)よりも小さくなるように設定されている。このように設定することで、第2電極812とプラグ819a及び819bとの接続部となる、層間絶縁膜817に形成された下穴へのめっき(例えば、銅めっき)の埋め込み不良が抑制され、ボイドの発生を抑制することができるようになる。 The second electrode 812 is electrically connected to the plugs 819a and 819b via the barrier metals 820a and 820b. The diameter R2 (or the area of the area) of the circle where the second electrode 812 and the plugs 819a and 819b (strictly speaking, the barrier metals 820a and 820b) contact each other is set to be smaller than the diameter R1 (or the area of the area) of the circle where the first wirings 805a and 805b contact the resistance change film 809. By setting it in this way, poor filling of the pilot holes formed in the interlayer insulating film 817, which are the connection parts between the second electrode 812 and the plugs 819a and 819b, with plating (e.g., copper plating) is suppressed, and the occurrence of voids can be suppressed.

保護絶縁膜814と絶縁性バリア膜807とは、同一材料であることが好ましい。すなわち、スイッチング素子822a及び822bの周囲を全て同一材料で囲むことで材料の界面が一体化され、外部からの水分等の浸入を防ぐとともに、スイッチング素子822a及び822b自身からの酸素の脱離を防ぐことができるようになる。 It is preferable that the protective insulating film 814 and the insulating barrier film 807 are made of the same material. In other words, by surrounding the switching elements 822a and 822b entirely with the same material, the material interfaces are integrated, preventing the intrusion of moisture and the like from the outside and preventing oxygen from being released from the switching elements 822a and 822b themselves.

保護絶縁膜814は、スイッチング素子822a及び822bにダメージを与えることなく、更に抵抗変化膜809からの酸素の脱離を防ぐ機能を有する絶縁膜である。保護絶縁膜814には、例えば、SiN膜、SiCN膜等を用いることができる。保護絶縁膜814は、ハードマスク膜816及び絶縁性バリア膜807と同一材料であることが好ましい。これらの膜が同一材料である場合には、保護絶縁膜814と絶縁性バリア膜807及びハードマスク膜816とが一体化して、界面の密着性が向上し、スイッチング素子822a、822bをより保護することができるようになる。 The protective insulating film 814 is an insulating film that prevents oxygen from being released from the resistance change film 809 without damaging the switching elements 822a and 822b. For example, a SiN film, a SiCN film, or the like can be used for the protective insulating film 814. It is preferable that the protective insulating film 814 is made of the same material as the hard mask film 816 and the insulating barrier film 807. When these films are made of the same material, the protective insulating film 814 is integrated with the insulating barrier film 807 and the hard mask film 816, improving the adhesion at the interface and providing better protection for the switching elements 822a and 822b.

層間絶縁膜817は、保護絶縁膜814上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜817には、例えば、シリコン酸化膜(SiO)、SiOC膜、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)等を用いることができる。層間絶縁膜817は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜817には、プラグ819a及び819bを埋め込むための下穴と、第2配線818a及び818bを埋め込むための配線溝が形成されている。これら下穴及び配線溝に、バリアメタル820a及び820bを介して、プラグ819a及び819bと、第2配線818a及び818bとが埋め込まれている。 The interlayer insulating film 817 is an insulating film formed on the protective insulating film 814. For example, a silicon oxide film (SiO x ), a SiOC film, a low dielectric constant film (e.g., a SiOCH film) having a lower relative dielectric constant than a silicon oxide film, or the like can be used for the interlayer insulating film 817. The interlayer insulating film 817 may be a laminate of a plurality of insulating films. In the interlayer insulating film 817, pilot holes for embedding plugs 819a and 819b and wiring grooves for embedding second wirings 818a and 818b are formed. The plugs 819a and 819b and the second wirings 818a and 818b are embedded in the pilot holes and wiring grooves via barrier metals 820a and 820b.

第2配線818a及び818bは、層間絶縁膜817に形成された配線溝にバリアメタル820a及び820bを介して埋め込まれた配線である。第2配線818aはプラグ819aと一体になっている。プラグ819aは、層間絶縁膜817及びハードマスク膜816に形成された下穴に、バリアメタル820aを介して埋め込まれている。プラグ819aは、バリアメタル820aを介してスイッチング素子822aと電気的に接続されている。第2配線818a及びプラグ819aには、例えば、Cuを用いることができる。第2配線818b及びプラグ819bは、第2配線818a及びプラグ819aと同様の構成である。 The second wiring 818a and 818b are wirings embedded in wiring grooves formed in the interlayer insulating film 817 via barrier metals 820a and 820b. The second wiring 818a is integrated with a plug 819a. The plug 819a is embedded in a pilot hole formed in the interlayer insulating film 817 and the hard mask film 816 via a barrier metal 820a. The plug 819a is electrically connected to the switching element 822a via the barrier metal 820a. The second wiring 818a and the plug 819a can be made of, for example, Cu. The second wiring 818b and the plug 819b have the same configuration as the second wiring 818a and the plug 819a.

バリアメタル820a及び820bは、第2配線818a及び818b(プラグ819a及び819bを含む)を構成する金属が層間絶縁膜817及び下層へ拡散することを防止するために、第2配線818a及び818bと、プラグ819a及び819bとの側面及び底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。バリアメタル820a及び820bには、例えば、第2配線818a及び818b、並びにプラグ819a及び819bがCuを主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN)、炭窒化タングステン(WCN)のような高融点金属やその窒化物等、又はそれらの積層膜を用いることができる。 The barrier metals 820a and 820b are conductive films having barrier properties that cover the side and bottom surfaces of the second wirings 818a and 818b and the plugs 819a and 819b in order to prevent the metal constituting the second wirings 818a and 818b (including the plugs 819a and 819b) from diffusing into the interlayer insulating film 817 and the lower layers. For example, when the second wirings 818a and 818b and the plugs 819a and 819b are made of metal elements mainly composed of Cu, the barrier metals 820a and 820b can be made of high-melting point metals such as tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), and tungsten carbonitride (WCN), their nitrides, or laminated films thereof.

バリア絶縁膜821は、第2配線818a及び818bを含むハードマスク膜816上に形成され、第2配線818a及び818bを構成する金属(例えば、Cu)の酸化を防ぎ、上層への第2配線818a及び818bを構成する金属の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜821には、例えば、SiC膜、SiCN膜、SiN膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。 The barrier insulating film 821 is an insulating film formed on the hard mask film 816 including the second wirings 818a and 818b, and serves to prevent oxidation of the metal (e.g., Cu) constituting the second wirings 818a and 818b and to prevent the diffusion of the metal constituting the second wirings 818a and 818b to upper layers. For the barrier insulating film 821, for example, a SiC film, a SiCN film, a SiN film, or a laminated structure thereof can be used.

以上の素子構造により、選択トランジスタを用いない不揮発スイッチング素子実現でき、集積度と高信頼性に優れたクロスバースイッチを提供することができる。これにより、優れたFPGAを製造できる。 The above element structure makes it possible to realize a non-volatile switching element that does not use a selection transistor, and to provide a crossbar switch with excellent integration density and high reliability. This makes it possible to manufacture excellent FPGAs.

以上に示した記載内容及び図示内容は、本開示の技術に係る部分についての詳細な説明であり、本開示の技術の一例に過ぎない。例えば、上記の構成、機能、作用、及び効果に関する説明は、本開示の技術に係る部分の構成、機能、作用、及び効果の一例に関する説明である。よって、本開示の技術の主旨を逸脱しない範囲内において、以上に示した記載内容及び図示内容に対して、不要な部分を削除したり、新たな要素を追加したり、置き換えたりしてもよいことは言うまでもない。また、錯綜を回避し、本開示の技術に係る部分の理解を容易にするために、以上に示した記載内容及び図示内容では、本開示の技術の実施を可能にする上で特に説明を要しない技術常識等に関する説明は省略されている。 The above description and illustrations are a detailed explanation of the parts related to the technology of the present disclosure, and are merely an example of the technology of the present disclosure. For example, the above explanation of the configuration, functions, actions, and effects is an explanation of an example of the configuration, functions, actions, and effects of the parts related to the technology of the present disclosure. Therefore, it goes without saying that unnecessary parts may be deleted, new elements may be added, or replacements may be made to the above description and illustrations, within the scope of the gist of the technology of the present disclosure. Also, in order to avoid confusion and to facilitate understanding of the parts related to the technology of the present disclosure, the above description and illustrations omit explanations of technical common knowledge that do not require particular explanation to enable the implementation of the technology of the present disclosure.

100 非線形抵抗素子
101 第1電極
102 第1非線形抵抗層
103 中間層
104 第2非線形抵抗層
105 第2電極
300 非線形抵抗素子
301 第1電極
303 非線形抵抗層
305 第2電極
500 非線形抵抗素子
501 第1電極
502 第1拡散バリア層
503 非線形抵抗層
504 第2拡散バリア層
505 第2電極
600 非線形抵抗素子
601 第1電極
602 第1非線形抵抗層
603 中間層
604 第2非線形抵抗層
605 第2電極
606 第1絶縁膜
607 第2絶縁膜
608 Cu電極
609 基板
700 クロスバースイッチ
721、722 非線形抵抗素子
730 スイッチング素子
731、732 不揮発性抵抗変化素子
741 第1配線
742 第2配線
743 第3配線
744 第4配線
800 半導体装置
802 層間絶縁膜
803 バリア絶縁膜
804 層間絶縁膜
805a、805b 第1配線
806a、806b バリアメタル
807 絶縁性バリア膜
809 抵抗変化膜
810 第1電極
811 非線形抵抗層
812 第2電極
814 保護絶縁膜
816 ハードマスク膜
817 層間絶縁膜
818a、818b 第2配線
819a、819b プラグ
820a、820b バリアメタル
821 バリア絶縁膜
822a、822b スイッチング素子
840 積層体
100 Nonlinear resistance element 101 First electrode 102 First nonlinear resistance layer 103 Intermediate layer 104 Second nonlinear resistance layer 105 Second electrode 300 Nonlinear resistance element 301 First electrode 303 Nonlinear resistance layer 305 Second electrode 500 Nonlinear resistance element 501 First electrode 502 First diffusion barrier layer 503 Nonlinear resistance layer 504 Second diffusion barrier layer 505 Second electrode 600 Nonlinear resistance element 601 First electrode 602 First nonlinear resistance layer 603 Intermediate layer 604 Second nonlinear resistance layer 605 Second electrode 606 First insulating film 607 Second insulating film 608 Cu electrode 609 Substrate 700 Crossbar switch 721, 722 Nonlinear resistance element 730 Switching element 731, 732 Nonvolatile resistance change element 741 First wiring 742 Second wiring 743 Third wiring 744 Fourth wiring 800 Semiconductor device 802 Interlayer insulating film 803 Barrier insulating film 804 Interlayer insulating films 805a, 805b First wirings 806a, 806b Barrier metal 807 Insulating barrier film 809 Resistance change film 810 First electrode 811 Non-linear resistance layer 812 Second electrode 814 Protective insulating film 816 Hard mask film 817 Interlayer insulating films 818a, 818b Second wirings 819a, 819b Plugs 820a, 820b Barrier metal 821 Barrier insulating films 822a, 822b Switching element 840 Stacked body

Claims (8)

第1電極と、
アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第1非線形抵抗層と、
中間層と、
アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第2非線形抵抗層と、
第2電極とを備え、
前記第1電極、前記第1非線形抵抗層、前記中間層、前記第2非線形抵抗層、及び前記第2電極がこの順に積層され
前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、Ge及びSiの少なくとも1種の元素からなる第1群元素と、Se、Te及びSからなる群から選択される少なくとも1種の元素からなる第2群元素とを含み、
前記第1非線形抵抗層と前記第1電極との界面から、前記第1非線形抵抗層と前記中間層との界面に向かって、前記第1非線形抵抗層の前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する前記第2群元素の組成が変化しており、
前記第2非線形抵抗層と前記第2電極との界面から、前記第2非線形抵抗層と前記中間層との界面に向かって、前記第2非線形抵抗層の前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する前記第2群元素の組成が変化しており、
前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第2群元素は、前記第1非線形抵抗層と前記中間層との界面近傍、及び前記第2非線形抵抗層と前記中間層との界面近傍で濃度が高い
非線形抵抗素子。
A first electrode;
a first nonlinear resistance layer made of an amorphous chalcogenide thin film;
The middle class,
a second nonlinear resistance layer made of an amorphous chalcogenide thin film;
a second electrode;
the first electrode, the first nonlinear resistance layer, the intermediate layer, the second nonlinear resistance layer, and the second electrode are laminated in this order ;
the amorphous chalcogenide thin film includes a first group element consisting of at least one element of Ge and Si, and a second group element consisting of at least one element selected from the group consisting of Se, Te, and S;
a composition of the second group elements constituting the amorphous chalcogenide thin film of the first nonlinear resistance layer changes from an interface between the first nonlinear resistance layer and the first electrode toward an interface between the first nonlinear resistance layer and the intermediate layer,
a composition of the second group elements constituting the amorphous chalcogenide thin film of the second nonlinear resistance layer changes from an interface between the second nonlinear resistance layer and the second electrode toward an interface between the second nonlinear resistance layer and the intermediate layer,
the second group element constituting the amorphous chalcogenide thin film has a high concentration in the vicinity of the interface between the first nonlinear resistance layer and the intermediate layer and in the vicinity of the interface between the second nonlinear resistance layer and the intermediate layer;
A nonlinear resistive element.
前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、As、Sb及びNからなる群から選択される少なくとも1種の元素からなる第3群元素を含む、請求項1に記載の非線形抵抗素子。 The nonlinear resistance element according to claim 1, wherein the amorphous chalcogenide thin film contains a third group element consisting of at least one element selected from the group consisting of As, Sb, and N. 前記第1非線形抵抗層と前記第1電極との界面から、前記第1非線形抵抗層と前記中間層との界面に向かって、前記第1非線形抵抗層の前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する前記第3群元素の組成が変化しており、
前記第2非線形抵抗層と前記第2電極との界面から、前記第2非線形抵抗層と前記中間層との界面に向かって、前記第2非線形抵抗層の前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する前記第3群元素の組成が変化している、
請求項に記載の非線形抵抗素子。
a composition of the third group elements constituting the amorphous chalcogenide thin film of the first nonlinear resistance layer changes from an interface between the first nonlinear resistance layer and the first electrode toward an interface between the first nonlinear resistance layer and the intermediate layer,
a composition of the third group elements constituting the amorphous chalcogenide thin film of the second nonlinear resistance layer changes from an interface between the second nonlinear resistance layer and the second electrode toward an interface between the second nonlinear resistance layer and the intermediate layer;
3. The nonlinear resistance element according to claim 2 .
前記中間層は、Ti、Zr、Ta、Nb、Mo、W、Hf、V、Si、及びCからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む、請求項1~請求項のいずれか1項に記載の非線形抵抗素子。 The nonlinear resistance element according to any one of claims 1 to 3 , wherein the intermediate layer contains at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Ta, Nb, Mo, W, Hf, V, Si, and C. 前記中間層の膜厚は、2nm以下である、請求項1~請求項のいずれか1項に記載の非線形抵抗素子。 5. The nonlinear resistance element according to claim 1 , wherein the intermediate layer has a thickness of 2 nm or less. 前記第1電極と前記第2電極の間に、絶対値が第1閾電圧以上の電圧を印可することにより低抵抗状態に変化し、絶対値が第1閾電圧未満の第2閾電圧以下の電圧を印可することにより高抵抗状態に変化する、請求項1~請求項のいずれか1項に記載の非線形抵抗素子。 A nonlinear resistance element according to any one of claims 1 to 5, which changes to a low resistance state by applying a voltage having an absolute value equal to or greater than a first threshold voltage between the first electrode and the second electrode, and changes to a high resistance state by applying a voltage having an absolute value equal to or less than a second threshold voltage which is less than the first threshold voltage. 論理回路の信号経路中に設けられたスイッチング素子であって、
2つの2端子型の非線形抵抗素子と、
2つの2端子型の不揮発性抵抗変化素子と、を有し、
前記2つの2端子型の不揮発性抵抗変化素子のそれぞれの一方の端子が、互いに接続され、かつ、前記2つの2端子型の非線形抵抗素子のそれぞれの一方の電極と接続され、
前記2つの2端子型の非線形抵抗素子は、請求項1~請求項のいずれか1項に記載の非線形抵抗素子である、
スイッチング素子。
A switching element provided in a signal path of a logic circuit,
Two two-terminal nonlinear resistance elements;
Two two-terminal nonvolatile resistance change elements;
one terminal of each of the two two-terminal nonvolatile resistance change elements is connected to each other and to one electrode of each of the two two-terminal nonlinear resistance elements;
The two two-terminal nonlinear resistance elements are the nonlinear resistance elements according to any one of claims 1 to 6 .
Switching element.
請求項1~請求項のいずれか1項に記載の非線形抵抗素子の製造方法であって、
前記第1電極と、
前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる前記第1非線形抵抗層と、
前記中間層と、
前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる前記第2非線形抵抗層と、
前記第2電極とを、この順に同一真空内で積層する、
非線形抵抗素子の製造方法。
A method for manufacturing a nonlinear resistance element according to any one of claims 1 to 6 , comprising the steps of:
The first electrode;
the first nonlinear resistance layer made of the amorphous chalcogenide thin film;
The intermediate layer;
the second nonlinear resistance layer made of the amorphous chalcogenide thin film;
the second electrode and the first electrode are laminated in this order in the same vacuum.
A method for manufacturing a nonlinear resistance element.
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