JP2007134603A - 可変抵抗素子を備えた不揮発性半導体記憶装置の製造方法 - Google Patents

可変抵抗素子を備えた不揮発性半導体記憶装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 可変抵抗体のPCMO結晶化度の違いによる抵抗値バラツキを抑え、回路動作マージンを十分確保することができる不揮発性半導体記憶装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 上部電極と下部電極の間にデータを蓄積するための可変抵抗体を形成してなる半導体記憶装置の製造方法であって、導電性の金属酸化物を、酸素を含まない雰囲気中でスパッタリングし、前記可変抵抗体を形成する可変抵抗体形成工程を実行する。
【選択図】 図3

Description

本発明は、上部電極と下部電極の間にデータを蓄積するための可変抵抗体を形成してなる不揮発性半導体記憶装置の製造方法に関する。
近年、フラッシュメモリに代わる高速動作可能な次世代不揮発性ランダムアクセスメモリ(NVRAM:Nonvolatile Random Access Memory) として、FeRAM(Ferroelectric RAM)、MRAM(Magnetic RAM)、OUM(Ovonic Unified Memory)等の様々なデバイス構造が提案され、高性能化、高信頼性化、低コスト化、及び、プロセス整合性という観点から、激しい開発競争が行われている。しかしながら、現状のこれらメモリデバイスには各々一長一短があり、SRAM、DRAM、フラッシュメモリの各利点を併せ持つ「ユニバーサルメモリ」の理想実現には未だ遠い。
これら既存技術に対し、米国ヒューストン大のShangquing LiuやAlex Ignatiev等によって、超巨大磁気抵抗効果で知られるペロブスカイト材料に電圧パルスを印加することによって可逆的に電気抵抗を変化させる方法が開示されている(例えば、特許文献1及び非特許文献1参照)。これは超巨大磁気抵抗効果で知られるペロブスカイト材料を用いながらも、磁場の印加なしに室温においても数桁にわたる抵抗変化が現れるという極めて画期的なものである。
この現象を利用した可変抵抗素子を用いた抵抗性不揮発性メモリRRAM(シャープ株式会社の登録商標、Resistance Random Access Memory)は、MRAMと異なり磁場を一切必要としないため消費電力が極めて低く、微細化、高集積化も容易であり、抵抗変化のダイナミックレンジがMRAMに比べ格段に広いため多値記憶が可能であるという優れた特徴を有する。実際のデバイスにおける基本構造は極めて単純で、基板垂直方向に下部電極材料、ペロブスカイト型酸化物、上部電極材料の順に積層された構造となっている。尚、特許文献1に例示する素子構造では、下部電極材料はランタン・アルミニウム酸化物LaAlO(LAO)の単結晶基板上に堆積されたイットリウム・バリウム・銅酸化物YBaCu(YBCO)膜、ペロブスカイト型酸化物は結晶性プラセオジウム・カルシウム・マンガン酸化物Pr1−xCaMnO(PCMO)膜、上部電極材料はスパッタリングで堆積されたAg膜で、夫々形成されている。この記憶素子の動作は、上部及び下部電極間に印加する電圧パルスを51ボルトとして正、負に印加することにより抵抗を可逆的に変化させることができることが報告された。この可逆的な抵抗変化動作(以下、適宜「スイッチング動作」と称す。)における抵抗値を読み出すことによって、新規な不揮発性記憶装置が可能であることを意味している。
このような可変抵抗素子を利用したデバイス構造の半導体記憶装置としてクロスポイント構造の半導体記憶装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
一般的に、DRAM、NOR型フラッシュメモリ、FeRAM等の半導体記憶装置は、メモリを蓄積する素子部分と、このメモリ素子を選択するための選択トランジスタとを備えて1つのメモリセルが構成されている。これに対し、クロスポイント構造のメモリセルは、この選択トランジスタを廃して、ビット線とワード線の交点(クロスポイント)にメモリデータを蓄積する記憶材料体のみを配して形成される。このクロスポイント構造のメモリセル構成では、選択されたビット線とワード線の交点の蓄積データを、選択トランジスタを用いずに直接読み出すことになるため、選択メモリセルに接続する選択ビット線或いは選択ワード線に接続する非選択メモリセルを介して流れる寄生電流が、選択メモリセルを流れる読み出し電流に重畳することによる動作スピードの遅延、消費電流の増大等の問題があるものの、単純な構造であるためメモリセル面積の縮小による大容量化が可能であるとして注目されている。以下にもっとも簡便なクロスポイント構造の製造方法を説明する。
図1は、クロスポイント構造のメモリセルの平面レイアウト図である。下部電極配線Bの配線パターンを定義する領域R1と、上部電極配線Tの配線パターンを定義する領域R2を夫々示している。ここで、上部電極配線Tと下部電極配線Bの何れか一方がワード線となり、他方がビット線となる。また、図6及び図7は、従来の製造方法を工程順に示したものであり、図1のX−X´に沿った垂直断面図と、図1のY−Y´に沿った垂直断面図を夫々示している。
先ず、図6(a)に示すように、トランジスタ回路等(図示せず)を形成したシリコン半導体基板上11にメモリセル下の層間絶縁膜12を形成した後、トランジスタ回路等の存在により発生する段差を緩和するために、所謂CMP法(化学的機械的研磨法:Chemical Mechanical Polishing Method)により表面を平坦化する。
続いて、図6(b)に示すように、下部電極配線Bとなる電極材料膜13を全面に堆積した後、フォトリソグラフィの手法によって、ストライプ状(ライン&スペース)にパターンニングしたレジストR1をマスクとして、電極材料膜13をエッチングすることにより、下部電極配線Bを形成する。
引き続き、レジストR1を除去した後、図6(c)に示すように、隣接する下部電極配線B間の領域を埋め込むのに十分な膜厚の絶縁膜14を全面に堆積する。
引き続き、図6(d)に示すように、CMP法により、絶縁膜14を下部電極配線Bの表面レベルまで研磨する。この結果、下部電極配線B間が絶縁膜14で埋め込まれる。埋め込まれた絶縁膜14の表面と下部電極配線Bの表面とが略同じ高さになることにより、表面全体が略平滑な構造が形成される。該研磨工程の目的は、引き続いて成膜される可変抵抗体膜をでき得る限り平坦な表面上に成膜することにある。これは、後工程の可変抵抗体膜のエッチングにおいて、可変抵抗体膜と下部電極膜との間にエッチングの選択比が無いため、下部電極の段差上に可変抵抗体膜を成膜するのが困難なことに因る。
引き続き、図7(e)に示すように、可変抵抗体となる金属酸化膜15を全面にスパッタリング成膜する。このスパッタリングは酸素を含んだ雰囲気で行われる。引き続き、図7(f)に示すように、上部電極配線Tとなる電極材料膜16を全面に成膜する。
引き続き、フォトリソグラフィの手法によってストライプ状(ライン&スペース)にパターンニングしたレジストR2をマスクとして、上記電極材料膜16をエッチングすることにより、上部電極配線Tを形成する。更に、図7(g)に示すように、上部電極配線T間に残存する可変抵抗体膜15をエッチングして除去する。
引き続き、レジストR2を除去した後、図7(h)に示すように、メタル配線下の層間絶縁膜17を全面に堆積する。その後、下部電極配線B、上部電極配線T、メモリセル以外のトランジスタ回路等へのコンタクト(コンタクト形成部は図示せず)を形成し、メタル配線(図示せず)を行う。
上述したクロスポイント型デバイスの可変抵抗体であるPCMO膜形成(図7(e)参照)は、焼結されたPCMOターゲットを用いてスパッタリング形成されるが、特許文献1には、スパッタの際に欠損した酸素を補う目的で適宜量の酸素ガスをスパッタリングガスであるArガスに混入して導入している。このように形成されたPCMO膜は、ほぼ非晶質であることが知られている。非晶質PCMO膜は通常極めて抵抗が高いため、デバイス動作には向かず、プロセス中の熱処理工程などで結晶化を行い所望の抵抗レベルまで下げる必要がある。
米国特許第6204139号明細書 Liu,S.Q.ほか、"Electric−pulse−induced reversible Resistance change effect in magnetoresistive films",Applied Physics Letter, Vol.76,pp.2749−2751,2000年
しかしながら、このように結晶化して低抵抗化したPCMO膜は、下地の電極表面または絶縁膜表面の状態に強い影響を受ける。この結果、可変抵抗体であるPCMO膜は、PCMO膜結晶化度が個々に異なり、個々の可変抵抗体の抵抗値に極めて大きなバラツキを生じさせる。そのため、回路動作させる上で必要なマージンが小さくなってしまい、不安定性の増大や不良率の増加を招くといった問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、可変抵抗体のPCMO結晶化度の違いによる抵抗値バラツキを抑え、回路動作マージンを十分確保することができる不揮発性半導体記憶装置の製造方法を提供する点にある。
上記目的を達成するための本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、上部電極と下部電極の間にデータを蓄積するための可変抵抗体を形成してなる可変抵抗素子を備えてなる不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、金属酸化物を、酸素を含まない雰囲気中でスパッタリングし、前記可変抵抗体を形成する可変抵抗体形成工程を実行することを第1の特徴とする。
上記目的を達成するための本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、同方向に延伸する複数の上部電極配線と前記上部電極配線の延伸方向と直交する方向に延伸する複数の下部電極配線を備え、前記上部電極配線と前記下部電極配線の間にデータを蓄積するための可変抵抗体を形成してなる可変抵抗素子をマトリクス状に配列してなるクロスポイント構造のメモリセルアレイを備える不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、前記複数の下部電極配線上に、金属酸化物を、酸素を含まない雰囲気中でスパッタリングし、前記可変抵抗体を形成する可変抵抗体形成工程を実行することを第2の特徴とする。
上記何れかの特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、前記スパッタリングは、Ar、He、Ne、Kr、Xeの何れか1つをスパッタリングガスとして用いることを第3の特徴とする。
上記何れかの特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、前記スパッタリングの成膜温度範囲が、500℃〜800℃であることを第4の特徴とする。
上記何れかの特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、前記金属酸化物が、一般式Pr1−XCa[Mn1−Z]O(但し、0≦x≦1,0≦z<1)で表される系の酸化物であることを第5の特徴とする。
上記特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、前記一般式中のMはTa,Ti,Cu,Cr,Co,Fe,Ni,Gaの中の何れか1つを含むことを第6の特徴とする。
上記第1〜第4の特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、前記金属酸化物がTiの酸化物またはNiの酸化物であることを第7の特徴とする。
上記特徴の不揮発性半導体記憶装置の製造方法によれば、可変抵抗素子の抵抗値のバラツキを小さくできる。これによって、当該可変抵抗素子を含む不揮発性半導体記憶装置を構成した場合に、回路動作マージンが大きくなり、安定したメモリ動作が可能となり、更に、不良率を低減することが可能となる。
以下、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法(以下、適宜「本発明方法」と略称する)の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明方法におけるメモリセルアレイを形成するための平面レイアウト図であり、下部電極配線Bの配線パターンを定義する領域R1と、上部電極配線Tの配線パターンを定義する領域R2を夫々示している。当該平面レイアウト図は、従来のクロスポイント構造のメモリセルアレイの平面レイアウト図と同じであり、上部電極配線Tと下部電極配線Bの交差部分(クロスポイント部分)に、上部電極と下部電極の間にデータを蓄積するための可変抵抗体を形成してなる可変抵抗素子がマトリクス状に配置されている。尚、以下の実施形態では、メモリセルの可変抵抗体として巨大磁気抵抗効果を有するCMR材料(例えばPCMO:Pr0.7Ca0.3MnO)薄膜を用いてクロスポイント構造のメモリセル及びメモリセルアレイを構成したRRAMを一例として、そのメモリセルアレイ構成の具体的な製造方法を示す。
〈第1実施形態〉
本発明方法の一実施形態について図2及び図3を基に説明する。ここで、図2及び図3は、本実施形態における本発明方法の各工程を順に示している。図2及び図3は、図1のX−X´に沿った垂直断面図と、図1のY−Y´に沿った垂直断面図を、夫々示している。尚、本発明において「垂直」は、特に断らない限り、半導体基板11の表面に対して垂直な場合を意味する。
先ず、従来の製造方法と同様に、トランジスタ回路等(図示せず)を形成したシリコン半導体基板11上に、メモリセル下の層間絶縁膜としてBPSG膜12を1300nmの膜厚で形成し、CMP法により600nmまで研磨し、表面を平坦化する。続いて、図2(a)に示すように、下部電極配線BとなるPt膜13(第1電極膜に相当)を全面にスパッタする。本実施形態では、膜厚が200nmとなるようにPt膜13を堆積した。
続いて、図2(b)に示すように、フォトリソグラフィの手法によってストライプ状(ライン&スペース)にパターンニングしたレジストR1をマスクとして、Pt膜13をエッチングすることにより、下部電極配線Bを形成する。本実施形態では、ライン幅0.3μm、スペース幅0.3μmのストライプ状のレジストパターンを用いて、エッチングを行った。
引き続き、レジストR1を除去した後、図2(c)に示すように、絶縁膜であるシリコン酸化膜14を全面に堆積する。シリコン酸化膜14の膜厚は、下部電極配線B間を埋め込むのに十分な膜厚にする。本実施形態では、膜厚が400nmとなるようにシリコン酸化膜14を堆積した。
引き続き、CMP法によりシリコン酸化膜14を下部電極配線Bの表面レベルまで研磨する研磨工程を実行する。以上が、下部電極配線Bを形成する下部電極配線形成工程である。
研磨工程の結果、図2(d)に示すように、下部電極配線B間をシリコン酸化膜14で埋め込み、埋め込まれたシリコン酸化膜14の表面と下部電極配線Bの表面を略同じ高さに平滑化することにより、表面全体が略一様な平面状の構造が形成される。
引き続き、図3(e)に示すように、PCMO(Pr0.7Ca0.3MnO)を材料とする可変抵抗体18を下部電極配線Bとシリコン酸化膜14の表面に膜厚が100nmとなるようにスパッタリング形成する。スパッタリング条件は、例えば、Arガス流量210sccm、圧力20mTorr、基板温度670℃である。反応室内に導入されるガスはArのみであり、無酸素雰囲気で形成されるPCMO膜は結晶化した膜になる。また可変抵抗体18としては、TiOやNiO等の酸化物もTiOターゲットやNiOターゲットを前記スパッタリング条件と同一の条件でTiO膜やNiO膜を形成して使用することが可能である。尚、PCMO膜18は、Pr1−XCa[Mn1−Z]O(但し、0≦x≦1,0≦z<1)で表される系の酸化物である。MはTa,Ti,Cu,Cr,Co,Fe,Ni,Gaの中の何れか1つを含むことが望ましい。
引き続き、図3(f)に示すように、PCMO膜18上に、上部電極TとなるPt膜16をスパッタリング法で形成する。また、本実施形態では、Pt膜16の膜厚は100nmとした。
その後、フォトリソグラフィの手法によって、Pt膜16上の上部電極Tとなる領域に、上部電極パターンに基づいて、図3(g)に示すようなレジストR2を形成する。そして、このレジストR2をマスクとして、Pt膜16及びPCMO膜18をドライエッチング法により同時にエッチングし、その後レジスト除去して、図3(g)に示すような上部電極T(Pt膜16)及び可変抵抗体(PCMO膜18)を形成する。
更に、その後、図3(h)に示すように、SiO膜17をCVD法により400nm堆積する。そして、回路動作に必要なコンタクトホールおよびメタル配線工程を施し完成となる(図示せず)。
尚、上述したPCMO膜18のスパッタリング条件はこれに限られたものではなく、安定したスパッタリングが行われ、PCMO膜18が結晶化すれば良く、スパッタリングガスにはAr以外の希ガス元素、例えばHe、Ne、Kr、Xeを用いても良い。また基板温度はPCMO膜が安定に結晶化する500℃〜800℃の範囲内であることが望ましい。
本発明方法及び従来技術により形成された不揮発性半導体記憶装置の抵抗値分布を図4に、また、本発明方法及び従来技術により形成された不揮発性半導体記憶装置の抵抗値のチップ内バラツキを図5に示す。
図4は、本発明方法及び従来技術によって半導体基板上に形成されたPCMO膜の抵抗分布を示している。尚、スパッタリング成膜温度はいずれも670℃である。図4に示すように、上記実施形態のArガスを用いたスパッタリング条件では、抵抗値の分布を測定した結果、20〜60KΩになり、可変抵抗体として適切な抵抗値が得られた。また、従来技術に係る酸素雰囲気でのスパッタリング条件では、抵抗値の分布を測定した結果、1〜10KΩが得られた。即ち、従来方法の場合は抵抗値の分布が1桁以上に渡り広がっているが、本発明の場合その分布が狭まっておりバラツキが大きく改善されていることがわかる。従って、本発明方法によるスパッタリング条件の方が抵抗値の分布のばらつきの改善が得られたと言える。
続いて、図5は、本発明方法及び従来技術によって形成されたPCMO膜の抵抗値のウエハ内のバラツキを示している。ここで、ウエハ内のバラツキは、ウエハ内の抵抗値の標準偏差の3σと抵抗値の平均値を用い、3σ/抵抗値の平均値をバラツキとして示した。図5に示すように、本発明方法によるArガスを用いたスパッタリング条件と従来の酸素雰囲気でのスパッタリング条件の場合の抵抗値分布を比較すると、本発明方法の場合のチップ内のばらつきは8〜40%程度であるのに対し、従来の方法では40〜200%程度である。即ち、チップ内のバラツキも、従来技術に対し、本発明方法の場合は、10分の1程度に減少しており、本発明方法による無酸素雰囲気でのスパッタリング条件を使用することで、抵抗値のバラツキの大幅な低減が図れたと言える。
このように、抵抗値のバラツキが大幅に低減されたのはPCMO膜の結晶化度が非常に高くなっていることに起因している。これはスパッタリング時に酸化性ガスである酸素を含まず、Arガスのみでスパッタリングしているために結晶化温度が低下しているためである。TiOやNiOについても同様にArガスのみでスパッタリングすると結晶化温度が低下するので、結晶化度が高い膜が形成できるので抵抗値のバラツキを低減することができる。またTiOやNiOについてもスパッタリングガスにはAr以外の希ガス元素、例えばHe、Ne、Kr、Xeを用いても良い。従って、本発明方法によれば、バラツキが極めて小さく、その結果として、動作マージンが十分に確保できる良好な不揮発性半導体記憶装置の実現が可能である。
クロスポイント構造のメモリセルアレイの平面レイアウト図 本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の第1実施形態における各工程を示す工程断面図 本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の第1実施形態における各工程を示す工程断面図 本発明に係る半導体記憶装置及び従来技術に係る半導体記憶装置の抵抗値分布を示すグラフ 本発明に係る半導体記憶装置及び従来技術に係る半導体記憶装置の抵抗値のばらつきを示すグラフ 従来技術に係る半導体記憶装置の製造方法の各工程を示す工程断面図 従来技術に係る半導体記憶装置の製造方法の各工程を示す工程断面図
符号の説明
11:半導体基板(シリコン基板)
12:層間絶縁膜(BPSG膜)
13:Pt膜
14:シリコン酸化膜
15:可変抵抗体
16:Pt膜
17:層間絶縁膜
18:可変抵抗体
B: 下部電極配線
T: 上部電極配線
R1:レジスト
R2:レジスト

Claims (7)

  1. 上部電極と下部電極の間にデータを蓄積するための可変抵抗体を形成してなる可変抵抗素子を備えてなる不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、
    金属酸化物を、酸素を含まない雰囲気中でスパッタリングし、前記可変抵抗体を形成する可変抵抗体形成工程を実行することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  2. 同方向に延伸する複数の上部電極配線と前記上部電極配線の延伸方向と直交する方向に延伸する複数の下部電極配線を備え、前記上部電極配線と前記下部電極配線の間にデータを蓄積するための可変抵抗体を形成してなる可変抵抗素子をマトリクス状に配列してなるクロスポイント構造のメモリセルアレイを備える不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、
    前記複数の下部電極配線上に、金属酸化物を、酸素を含まない雰囲気中でスパッタリングし、前記可変抵抗体を形成する可変抵抗体形成工程を実行することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  3. 前記スパッタリングは、Ar、He、Ne、Kr、Xeの何れか1つをスパッタリングガスとして用いることを特徴とする請求項1または2に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  4. 前記スパッタリングの成膜温度範囲が、500℃〜800℃であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  5. 前記金属酸化物が、一般式Pr1−XCa[Mn1−Z]O(但し、0≦x≦1,0≦z<1)で表される系の酸化物であることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  6. 前記一般式中のMはTa,Ti,Cu,Cr,Co,Fe,Ni,Gaの中の何れか1つを含むことを特徴とする請求項5に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  7. 前記金属酸化物がTiの酸化物またはNiの酸化物であることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
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