JP2008294201A - 抵抗変化メモリ装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 第1の電極と、遷移金属からなる第2の電極と、第1の電極と第2の電極の間に配置された前記遷移金属の酸化物からなる抵抗変化素子を具備し、前記抵抗変化素子の可逆的且つ不揮発性の抵抗変化を利用する抵抗変化メモリ装置の製造方法において、前記第1の電極4と、前記第1の電極の上に積層された前記酸化物8からなる積層体16を、下地62の上に形成する第1の工程と、前記酸化物8を還元して前記第2の電極6を形成する第2の工程を具備すること。
【選択図】 図2
Description
(1)抵抗変化素子
(i)構成
抵抗変化素子は、遷移金属酸化物を金属電極で挟んだ構成を有し、抵抗値が可逆的に変化し且つその変化が不揮発の素子である。
図12は、NiOからなる抵抗変化層をPtからなる電極で挟んだPt/NiO/Pt抵抗変化素子の電流―電圧特性の一例である。
抵抗変化素子の動作機構の詳細は、未だ明らかでない点が多い。
上述した抵抗変化素子(図11)に於ける抵抗スイッチ効果は可逆的であり、高抵抗状態と低抵抗状態の間の遷移は何度でも繰り返し可能である。
上述したように、従来の抵抗変化素子の電極には、耐酸化性に優れた貴金属が使われてきた。しかし、このような抵抗変化素子には、フォーミングに必要な電圧(図12のbに於ける電圧;以下、フォーミング電圧と呼ぶ)が高く、リセットに必要な電流(図12のeに於ける電流;以下、リセット電流と呼ぶ)が大きいという問題がある。
このような問題に対して、本発明者は、対向する貴金属電極の一方を、遷移金属からなる電極(以下、遷移金属電極と呼ぶ)で置き換えることによって、フォーミング電圧及びリセット電流の双方が小さくなることを既に見出している。
しかし、このようなPt/NiO/Ni抵抗変化素子101には、以下に説明するとおり加工上の問題がある。
上記の目的を達成するために、本発明の第1の側面は、第1の電極と、遷移金属からなる第2の電極と、第1の電極と第2の電極の間に配置された、前記遷移金属の酸化物からなる抵抗変化素子を具備し、前記抵抗変化素子の可逆的且つ不揮発性の抵抗変化を利用する抵抗変化メモリ装置の製造方法において、前記第1の電極と、前記第1の電極の上に積層された前記酸化物からなる積層体を、下地の上に形成する第1の工程と、前記酸化物を還元して前記第2の電極を形成する第2の工程を具備することを特徴とする。
本発明の第2の側面は、第1の側面において、前記第2の工程が、水素及びアンモニアの何れか一方又は双方を還元ガスとして、前記酸化物を還元して前記第2の電極を形成する工程であることを特徴とする。
本発明の第3の側面は、第1又は第2の側面において、前記第2の工程が、前記下地の上に絶縁膜を形成して、前記積層体を埋め込む第3の工程と、前記絶縁膜に、前記酸化物に達するコンタクトホールを形成する第4の工程と、前記コンタクトホールの底に露出した前記酸化物を還元して、前記第2の電極を形成する第5の工程からなることを特徴とする。
本発明の第4の側面は、第1乃至第3の側面において、前記遷移金属が、ニッケルであることを特徴とする。
本発明の第5の側面は、第1乃至第4の側面において、前記第2の電極が接地され、前記第1の電極は、ゲートがワード線に接続されたトランジスタを介して、正電位が印加されるビットラインに接続されていることを特徴とする。
本実施の形態例では、例えば貴金属(Pt等)からなる第1の電極(下部電極)の上に積層された遷移金属酸化物(例えばNiO)を還元して、遷移金属からなる第2の電極(上部電極)を形成するので、反応性イオンエッチングで遷移金属を加工することによって生じる主な問題(エッチング工程の長時間化及び加工精度の悪化)が解消される。
図1は、本実施の形態例によって製造される抵抗変化メモリ装置(ReRAM)を構成する抵抗変化素子2とその近傍の構成を示す断面図である。
図2は、本実施の形態例に係る抵抗変化素子の製造方法を順次説明する図である。
このように、本実施の形態例では、酸化物(遷移金属酸化物)8の表面を還元処理することによって、第2の電極6すなわち遷移金属電極が形成される。従って、遷移金属をRIEによってエッチングして、遷移金属電極を形成する工程は不要である。このため、本実施の形態例によれば、遷移金属電極を反応性イオンエッチングで加工することによって生じる問題(エッチング工程の長時間化及び加工精度の悪化)は解消される。
本実施の形態例では、下地62の上に絶縁膜を形成して積層体16を埋め込んでから、酸化物(遷移金属酸化物)8の表面を還元して第2の電極(遷移金属電極)が形成するので、反応性イオンエッチングで遷移金属を加工することによって生じる上記問題(エッチング工程の長時間化、加工精度の悪化、及び電流―電圧特性の劣化)が全て解消される。
本実施の形態例によって製造される抵抗変化メモリ装置(ReRAM)を構成する抵抗変化素子2とその近傍の構成は、実施の形態例1で説明した構成と同じである(図1参照)。
本実施の形態例に係る製造方法は、実施の形態例1の製造工程を全て備えている。但し、本実施の形態例に係る製造方法では、実施の形態例1に於ける第2の工程がより具体化されている。
このように、本実施の形態例では、実施の形態例1と同様、酸化物(遷移金属酸化物)8の表面を還元処理することによって、第2の電極すなわち遷移金属電極が形成される。従って、遷移金属電極を反応性イオンエッチングで加工することによって生じる主な問題(エッチング工程の長時間化及び加工精度の悪化)が解消される。
図4は、本実施例に於いて製造される抵抗変化メモリ装置(ReRAM)を構成するメモリセル18の断面図である。
抵抗変化素子2をセットするときには、選択トランジスタTをオン状態にして、第1の電極(下部電極)4に、第2の配線48(ビットライン)から、セット電圧より大きい第1の電圧パルス(正電圧パルス)を印加する。
図5〜図8は、上述した抵抗変化メモリ装置(ReRAM)の製造方法を工程順に示す断面図である。通常、半導体基板上にはメモリセルと同時に周辺回路(書き込み回路及び読み出し回路等)を構成するが、ここではそれらは省略されている。
まず、図5(a)に示す構造を形成するまでの工程を説明する。図5(a)に示すように、p型の半導体基板(シリコン基板)10の所定の領域に、公知のSTI(Shallow Trench Isolation)法によりSiO2で埋め込まれたトレンチ20を形成し、これらのトレンチ20により半導体基板10の表面を複数の素子領域22に分離する。
次に、図5(b)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。上述の工程によりトランジスタTを形成した後、CVD法により、半導体基板10の上側全面に、第1の層間絶縁膜30として例えばSiO2膜を形成し、この層間絶縁膜30によりトランジスタTを覆う。その後、第1の層間絶縁膜30の表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing :化学的機械研磨)法により研磨して平坦化する。
次に、図5(c)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。
次に、図6(a)〜(c)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。
次に、図7(b)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。
次に、図8(a)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。
図8(b)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。上述の工程によりパッド40及び第1の配線42を形成した後、CVD法により半導体基板10の上側全面にSiO2からなる第4の層間絶縁膜44を形成する。そして、この第4の層間絶縁膜44をCMP法により研磨して表面を平坦化した後、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を使用して、第4の層間絶縁膜44の上面からパッド40に到達するコンタクトホールを形成する。
本実施例では、上記「(v)図7(a)に示す構造(還元処理)」に示したように、Niからなる遷移金属電極6を、NiOからなる遷移金属酸化物8を還元処理して形成する。従って、塩素系ガスを用いたRIEによって、エッチング速度の遅い遷移金属(Ni等)をエッチングする必要がないので、エッチング工程が長時間化したり、遷移金属電極8の加工精度が悪化したりすることはない。
以上のようにして形成した抵抗変化メモリ(ReRAM)を構成する抵抗変化素子の特性を説明する。
本実施例に於ける抵抗変化素子(ReRAM)は、図9の電流―電圧特性に基づき、例えば、次のように動作させることができる。
データの書き込みすなわち抵抗変化素子のセット及びリセットは、例えば次のように行う。
データの読み出しは、次のように行う。抵抗変化素子にリセット電流を流す電圧より低い電圧、例えば0.4Vを抵抗変化素子に印加して流れる電流を検出する。電流が殆ど流れなければ抵抗変化素子は高抵抗状態であると判定し、電流が流れれば低抵抗状態であると判定する。
6・・・第2の電極(上部電極) 8・・・酸化物(遷移金属酸化物)
10・・・半導体基板 12・・・絶縁膜 14・・・コンタクトホール
16・・・積層体 18・・・メモリセル 20・・・トレンチ
22・・・素子領域 24・・・ゲート絶縁膜 26・・・ゲート電極
28a,28b・・・n型不純物領域 30・・・第1の層間絶縁膜
32a・・・第1のWプラグ 32b・・・第2のWプラグ
34・・・第2の層間絶縁膜 36・・・第3のWプラグ
38・・・第4のWプラグ 40・・・パッド
42・・・第1の配線(接地ライン) 44・・・第4の層間絶縁膜
46・・・第5のWプラグ 48・・・第2の配線(ビットライン)
52・・・Ti膜 54・・・Pt膜 56・・・NiO膜
58・・・NiO/Pt/Ti積層構造 62・・・下地
64a,64b・・・コンタクトホール 100・・・従来の抵抗変化素子
101・・・Pt/NiO/Ni抵抗変化素子 102a・・・上部電極(Pt等)
102b・・・下部電極(Pt等) 104・・・遷移金属酸化物(NiO等)
105・・・抵抗変化層 106・・・Ti膜 108・・・TiN膜
110・・・下地 112・・・第1のコンタクトホール
114・・・プラグ(W) 115・・・第1の配線 116・・・層間絶縁膜
118・・・第2のコンタクトホール 120・・・第2のプラグ
122・・・第2の配線 124・・・フィラメント 126・・・基板
128・・・Ni膜 130・・・NiO膜 132・・・Pt膜
134・・・第1のエッチングマスク 136・・・第2のエッチングマスク
140・・・反応ガス(塩素等) 142・・・残渣 144・・・腐食痕
Claims (5)
- 第1の電極と、
遷移金属からなる第2の電極と、
第1の電極と第2の電極の間に配置された、前記遷移金属の酸化物からなる抵抗変化素子を具備し、
前記抵抗変化素子の可逆的且つ不揮発性の抵抗変化を利用する抵抗変化メモリ装置の製造方法において、
前記第1の電極と、前記第1の電極の上に積層された前記酸化物からなる積層体を、下地の上に形成する第1の工程と、
前記酸化物を還元して前記第2の電極を形成する第2の工程を具備することを特徴とする抵抗変化メモリ装置の製造方法。 - 請求項1に記載の抵抗変化メモリ装置の製造方法において、
前記第2の工程が、水素及びアンモニアの何れか一方又は双方を還元ガスとして、前記酸化物を還元して前記第2の電極を形成する工程であることを特徴とする抵抗変化メモリ装置の製造方法。 - 請求項1又は2に記載の抵抗変化メモリ装置の製造方法において、
前記第2の工程が、
前記下地の上に絶縁膜を形成して、前記積層体を埋め込む第3の工程と、
前記絶縁膜に、前記酸化物に達するコンタクトホールを形成する第4の工程と、
前記コンタクトホールの底に露出した前記酸化物を還元して、前記第2の電極を形成する第5の工程からなることを特徴とする抵抗変化メモリ装置の製造方法。 - 請求項1乃至3に記載の抵抗変化メモリ装置の製造方法において、
前記遷移金属が、ニッケルであることを特徴とする抵抗変化メモリ装置の製造方法。 - 請求項1乃至4に記載の抵抗変化メモリ装置の製造方法において、
前記第2の電極が接地され、
前記第1の電極は、ゲートがワード線に接続されたトランジスタを介して、正電位が印加されるビットラインに接続されていることを特徴とする抵抗変化メモリ装置の製造方法。
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