JP7259368B2 - Method for manufacturing variable resistance element - Google Patents
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Description
本発明は、抵抗変化素子の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a variable resistance element.
近年、セキュリティ対策の一つとして、ランダムで制御不可能な物理的特徴を利用したPUF(Physically Unclonable Function:物理複製不可能回路)が注目されている。このようなPUFには、半導体デバイスを用いたものであって、抵抗変化を利用したものが開示されている。 In recent years, a PUF (Physically Unclonable Function) using random and uncontrollable physical characteristics has been attracting attention as one of security measures. As such a PUF, a semiconductor device is used and a resistance change is used.
しかしながら、上記のような半導体デバイスを用いたものは、部分的に素子の一部を破壊するものであるため、書き換えができない。このため、書き換え可能な抵抗変化素子が求められていた。 However, since the device using the semiconductor device as described above partially destroys a part of the device, it cannot be rewritten. Therefore, a rewritable variable resistance element has been desired.
本実施の形態の一観点によれば、抵抗変化素子の製造方法は、絶縁基板の上の第1の配線の上に、グラフェン層を形成する工程と、前記グラフェン層の上に、共晶合金層を形成する工程と、前記共晶合金層と接続される第2の配線を形成する工程と、を有し、前記共晶合金層は、In、Bi、Sn、Ga、Pbのいずれかを含むことを特徴とする。
According to one aspect of the present embodiment, a method for manufacturing a variable resistance element includes the steps of: forming a graphene layer on a first wiring on an insulating substrate; and forming a second wiring connected to the eutectic alloy layer, wherein the eutectic alloy layer contains any one of In, Bi, Sn, Ga, and Pb. characterized by comprising
開示の抵抗変化素子によれば、書き換え可能な抵抗変化素子を提供することができる。 According to the disclosed variable resistance element, a rewritable variable resistance element can be provided.
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。また、説明の便宜上、図面における縦横の縮尺等は実際と異なる場合がある。 The form for carrying out is demonstrated below. In addition, the same reference numerals are assigned to the same members and the description thereof is omitted. Also, for convenience of explanation, the vertical and horizontal scales in the drawings may differ from the actual ones.
〔第1の実施の形態〕
(抵抗変化素子)
最初に、第1の実施の形態における抵抗変化素子について、図1に基づき説明する。本実施の形態における抵抗変化素子は、下部配線10、上部配線20、抵抗変化部30を有しており、絶縁基板40の上に形成されている。下部配線10及び上部配線20は、金属等により形成されており、各々複数設けられており、互いに直交するように配置されている。抵抗変化部30は、このように配置された下部配線10と上部配線20との間に設けられており、2次元状に配置されている。本願においては、下部配線10を第1の配線と記載し、上部配線20を第2の配線と記載する場合がある。尚、図1においては、絶縁膜等は省略されている。
[First Embodiment]
(Resistance change element)
First, the variable resistance element in the first embodiment will be described with reference to FIG. The variable resistance element in the present embodiment has a
本実施の形態における抵抗変化素子は、上部配線20の入力部21より電気信号が入力されると、抵抗変化部30を通り、下部配線10に流れ、下部配線10の出力部11より電気信号が出力される。下部配線10の出力部11より出力される電気信号は、抵抗変化部30の抵抗の値に対応した信号である。従って、各々の抵抗変化部30の抵抗値を変えることにより、多値情報の記憶等が可能である。
In the resistance change element of the present embodiment, when an electric signal is input from the input portion 21 of the
次に、本実施の形態における抵抗変化素子の抵抗変化部30の構造について、図2に基づき説明する。本実施の形態における抵抗変化素子の抵抗変化部30は、絶縁基板40の上に形成された下部配線10の上に、第1の金属層31、第1の共晶合金層32、グラフェン層33、第2の共晶合金層34、第2の金属層35が積層形成されたものである。更に、第2の金属層35の上には上部配線20が形成されている。従って、グラフェン層33の一方の面に接触して第1の共晶合金層32が形成されており、グラフェン層33の他方の面に接触して第2の共晶合金層34が形成されている。
Next, the structure of the
第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34は、In、Bi、Sn、Ga、Pbのうちのいずれか1つを含む共晶合金、更には、2以上を含む共晶合金により形成されており、例えば、厚さが10μm~20μmのSn-Inにより形成されている。このような共晶合金は、比較的融点が低いため、低温で抵抗変化をさせることができる。
The first
下部配線10及び上部配線20は、厚さが0.2μmのCu等により形成されている。
The
第1の金属層31は、第1の共晶合金層32が加熱された際に、下部配線10に含まれているCuが、第1の共晶合金層32に進入することを防ぐために設けられている。同様に、第2の金属層35は、第2の共晶合金層34が加熱された際に、上部配線20に含まれているCuが、第2の共晶合金層34に進入することを防ぐために設けられている。このため、第1の金属層31及び第2の金属層35は、Cuに対してバリア性を有するTaやW等により形成されており、膜厚は100nm以上、200nm以下である。第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34にCuが入り込むと、第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34における融点が上昇し、所定の温度で溶融しなくなるため、これを防ぐために設けられている。グラフェン層33は、1原子層または2原子層の厚さのグラフェンにより形成されている。
The
また、第1の共晶合金層32等の周囲には、第1の絶縁膜36が形成されており、第1の絶縁膜36には、第1の共晶合金層32の近傍にヒータ38が埋め込まれている。また、第2の共晶合金層34等の周囲には、第2の絶縁膜37が形成されており、第2の絶縁膜37には、第2の共晶合金層34の近傍にヒータ39が埋め込まれている。第1の絶縁膜36及び第2の絶縁膜37は、酸化シリコンや酸化アルミニウムにより形成されており、ヒータ38、39は、電流が流れると発熱するニクロム等の電熱線材料により形成されている。
A first insulating
本実施の形態における抵抗変化素子において、情報を書き込む際には、ヒータ38、39に電流を流し、第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34を加熱する。第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34は、所定の温度まで加熱されると溶融するが、ヒータ38、39に流れる電流を止めると、温度が下がり凝固する。この凝固の際に、様々な結晶の相が形成される。
In the variable resistance element of the present embodiment, when writing information, currents are supplied to the
グラフェン層33を形成しているグラフェンは、化学的に非常に安定しており、接触している周囲の金属と反応はしないが、ファンデルワールス力により近接原子との相互作用が働いている。ファンデルワールス力は、グラフェンに近接する原子がどの元素であるかにより異なるため、グラフェン層33に近接している元素の割合を変化させることにより、流れるトンネル電流を変化させることができ、抵抗を変化させることができる。例えば、第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34をSn-In等の共晶合金により形成することにより、第1の共晶合金層32の界面、及び、第2の共晶合金層34の界面におけるSnとInの割合を変化させることができ、抵抗が変化する。
Graphene forming the
即ち、グラフェン層33と第1の共晶合金層32との間、及び、グラフェン層33と第2の共晶合金層34との間では、ファンデルワールス力等の相互作用が働いており、電子が移動し、電流が流れる。第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34は、共晶合金により形成されているため、溶融した後に凝固させる度に、グラフェン層33との界面における共晶金属を形成している一方の金属元素と、他方の金属元素の割合が変化する。これにより、抵抗が変化する。
That is, between the
図3は、第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34を形成する共晶金属であるSn-52InのSEM(Search Engine Marketing)像である。Sn-52Inの融点は130℃であり、図3に示されるものを融点まで加熱して溶融し、再び凝固したもののSEM像を図4に示す。図3と図4に示されるSEM像を比べると、SnとInの結晶粒界が変化し、界面におけるSnとInとの割合が微妙に変化している。このように、界面においてSnとInとの割合が変化すると、流れる電流も変化し、抵抗が変化する。
FIG. 3 is an SEM (Search Engine Marketing) image of Sn-52In, which is the eutectic metal that forms the first
尚、本実施の形態は、ヒータ38、39が設けられており、ヒータ38、39に電流を流すことにより、第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34を溶融させることができる。以上のように、本実施の形態における抵抗変化素子では、書き換え可能に、抵抗を変化させることができる。このような抵抗の変化は、偶然性が高いため、PUF等の用途として用いることができ、一定期間ごとに書き換えを行うことにより、セキュリティの安全性を向上させることができる。
In this embodiment, the
本実施の形態においては、第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34を形成するための共晶金属としては、Sn-In-BiやSn-In-Pbが好ましい。また、Gaを含む共晶金属としては、Ga-Al(融点:26.6℃)、Ga-Bi(融点:222℃)、Ga-In(融点15.3℃)、Ga-Sn(融点20.5℃)、Ga-Zn(融点24.6℃)が挙げられる。あまり融点が低いと常温で溶融してしまうため、Gaを含む3元系の共晶金属により形成してもよく、また、Sn-InやSn-Bi等にGaを添加したものにより形成してもよい。本実施の形態においては、第1の共晶合金層32とグラフェン層33との界面、第2の共晶合金層34とグラフェン層33との界面の2ヶ所において抵抗が変化するため、抵抗の変化の幅が広い。
In the present embodiment, the eutectic metal for forming the first
(抵抗変化素子の製造方法)
次に、本実施の形態における抵抗変化素子の製造方法について、図5~図20に基づき説明する。
(Manufacturing method of variable resistance element)
Next, a method for manufacturing the variable resistance element according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 20. FIG.
最初に、図5に示されるように、絶縁基板40の上に、下部配線10を形成する。具体的には、絶縁基板40の上に、メッキ等により膜厚が0.2μmのCu膜を成膜し、この後、Cu膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置により露光、現像を行うことにより、下部配線10の形状に対応した不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域のCu膜を酸等を用いたウェットエッチングにより除去し、残存するCu膜により下部配線10を形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
First, the
次に、図6に示されるように、下部配線10等の上に、第1の絶縁膜36の一部となる絶縁膜36aを形成する。具体的には、CVD(chemical vapor deposition)により酸化シリコン膜を成膜することにより、絶縁膜36aを形成する。
Next, as shown in FIG. 6, an insulating
次に、図7に示されるように、絶縁膜36aの上に、開口部51aを有するレジストパターン51を形成する。具体的には、絶縁膜36aの上に、フォトレジストを塗布し、露光装置により露光、現像を行うことにより、ヒータ38が形成される領域に開口部51aを有するレジストパターン51を形成する。
Next, as shown in FIG. 7, a resist
次に、図8に示されるように、レジストパターン51の開口部51aにおける絶縁膜36aを除去することにより、絶縁膜36aに開口部36bを形成する。具体的には、RIE(Reactive Ion Etching)等のドライエッチングにより、レジストパターン51の開口部51aにおける絶縁膜36aを除去することにより、開口部36bを形成する。
Next, as shown in FIG. 8, the insulating
次に、図9に示されるように、レジストパターン51の上及び絶縁膜36aの開口部36bを埋め込むニクロム膜38aを形成する。ニクロム膜38aは、真空蒸着による成膜により形成され、絶縁膜36aとレジストパターン51との界面の高さまで、開口部36bが埋め込まれるように、成膜することにより形成する。
Next, as shown in FIG. 9, a
次に、図10に示されるように、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターン51の上のニクロム膜38aをレジストパターン51とともにリフトオフにより除去する。これにより、開口部36bに埋め込まれた残存するニクロム膜38aにより、ヒータ38が形成される。尚、ヒータ38は、ニクロムを無電解メッキすることにより形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 10, the
次に、図11に示されるように、絶縁膜36a及びヒータ38の上に、絶縁膜36cを成膜することにより、絶縁膜36aと絶縁膜36cとにより第1の絶縁膜36を形成する。絶縁膜36cは、CVDにより酸化シリコン膜を成膜することにより形成する。このように形成される第1の絶縁膜36の膜厚は10μm以上、20μm以下である。
Next, as shown in FIG. 11, an insulating
次に、図12に示されるように、第1の絶縁膜36の上に、開口部52aを有するレジストパターン52を形成し、開口部52aにおける第1の絶縁膜36を除去することにより、開口部36dを形成する。第1の絶縁膜36に形成される開口部36dは、第1の金属層31及び第1の共晶合金層32が形成される領域に形成される。具体的には、第1の絶縁膜36の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置により露光、現像を行うことにより、第1の金属層31及び第1の共晶合金層32が形成される領域に開口部52aを有するレジストパターン52を形成する。この後、レジストパターン52の開口部52aにおける第1の絶縁膜36を下部配線10の表面が露出するまで、RIE等のドライエッチングにより除去することにより、第1の絶縁膜36に開口部36dを形成する。
Next, as shown in FIG. 12, a resist
次に、図13に示されるように、レジストパターン52の上及び第1の絶縁膜36の開口部36dの下部配線10の上に、真空蒸着によりW膜31aを成膜する。
Next, as shown in FIG. 13, a
次に、図14に示されるように、第1の絶縁膜36の開口部36dの下部配線10の上のW膜31aにより第1の金属層31を形成し、第1の金属層31の上に、第1の絶縁膜36の開口部36dを埋め込む第1の共晶合金層32を形成する。具体的には、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターン52の上のW膜31aをレジストパターン52とともにリフトオフにより除去し、第1の絶縁膜36の開口部36dの下部配線10の上に残存するW膜31aにより第1の金属層31を形成する。この後、第1の金属層31の上に、電解メッキにより共晶合金であるSn-52Inを堆積させ、第1の絶縁膜36の開口部36dを埋め込むことにより、第1の共晶合金層32を形成する。
Next, as shown in FIG. 14, the
次に、図15に示されるように、第1の共晶合金層32の上に、グラフェン層33を形成する。グラフェン層33は、転写により形成し、一部は第1の共晶合金層32の周囲の第1の絶縁膜36の上にも形成されていてもよい。
Next, as shown in FIG. 15, a
次に、図16に示されるように、グラフェン層33及び第1の絶縁膜36の上に、CVDにより酸化シリコン膜を成膜することにより、絶縁膜37aを形成する。
Next, as shown in FIG. 16, an insulating
次に、図17に示されるように、絶縁膜37aの上に、開口部53aを有するレジストパターン53を形成し、更に、開口部53aにおける絶縁膜37aを除去することにより、開口部37bを形成する。具体的には、絶縁膜37aの上に、フォトレジストを塗布し、露光装置により露光、現像を行うことにより、ヒータ39が形成される領域に開口部53aを有するレジストパターン53を形成する。この後、RIE等のドライエッチングにより、レジストパターン53の開口部53aにおける絶縁膜37aを除去することにより、開口部37bを形成する。
Next, as shown in FIG. 17, a resist
次に、図18に示されるように、開口部37bにヒータ39を形成し、絶縁膜37cを成膜することにより、絶縁膜37aと絶縁膜37cにより第2の絶縁膜37を形成する。更に、第2の絶縁膜37の上に、開口部54aを有するレジストパターン54を形成し、開口部54aにおける第2の絶縁膜37を除去することにより、開口部37dを形成する。具体的には、レジストパターン53の上及び絶縁膜37aの開口部37bを埋め込むニクロム膜を真空蒸着により成膜することにより形成する。ニクロム膜は、絶縁膜37aとレジストパターン53との界面の高さまで、開口部37bが埋め込まれるように、成膜することにより形成する。この後、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターン53の上のニクロム膜をレジストパターン53とともにリフトオフにより除去する。これにより、開口部37bに埋め込まれた残存するニクロム膜により、ヒータ39が形成される。尚、ヒータ39は、ニクロムを無電解メッキすることにより形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 18, a
この後、絶縁膜37a及びヒータ39の上に、絶縁膜37cを成膜することにより、絶縁膜37aと絶縁膜37cとにより、第2の絶縁膜37を形成する。絶縁膜37cは、CVDにより酸化シリコン膜を成膜することにより形成する。このように形成される第2の絶縁膜37の膜厚は10μm以上、20μm以下である。この後、第2の絶縁膜37の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置により露光、現像を行うことにより、第2の共晶合金層34及び第2の金属層35が形成される領域に開口部54aを有するレジストパターン54を形成する。この後、レジストパターン54の開口部54aにおける第2の絶縁膜37をグラフェン層33の表面が露出するまで、RIE等のドライエッチングにより除去することにより、第2の絶縁膜37に開口部37dを形成する。このように第2の絶縁膜37に形成される開口部37dは、第1の金属層31及び第1の共晶合金層32が形成される領域に形成される。
Thereafter, an insulating
次に、図19に示されるように、第2の絶縁膜37の開口部37dのグラフェン層33の上に第2の共晶合金層34を形成し、更に、第2の共晶合金層34及びレジストパターン54の上に、W膜35aを形成する。具体的には、第1の絶縁膜36の開口部36dにおいて露出しているグラフェン層33の上に、電解メッキにより共晶合金であるSn-52Inを堆積させることにより、第2の共晶合金層34を形成する。この後、レジストパターン54の上及び第2の共晶合金層34の上に、真空蒸着によりW膜35aを成膜する。
Next, as shown in FIG. 19, a second
次に、図20に示されるように、W膜35aにより第2の金属層35を形成した後、第2の金属層35及び第2の絶縁膜37の上に、上部配線20を形成する。具体的には、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターン54の上のW膜35aをレジストパターン54とともにリフトオフにより除去し、第2の共晶合金層34の上に残存するW膜35aにより第2の金属層35を形成する。この後、第2の金属層35及び第2の絶縁膜37の上に、メッキ等により膜厚が0.2μmのCu膜を成膜し、Cu膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置により露光、現像を行う。これにより、上部配線20の形状に対応した不図示のレジストパターンを形成する。この後、酸等を用いたウェットエッチングによりレジストパターンの形成されていない領域のCu膜を除去し、残存するCu膜により上部配線20を形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
Next, as shown in FIG. 20, after forming the
以上の工程により、本実施の形態における抵抗変化素子を作製することができる。 Through the steps described above, the variable resistance element according to the present embodiment can be manufactured.
(認証システム)
次に、本実施の形態における認証システムについて説明する。PUFは、半導体デバイス等において、僅かな特性の違いを用いたものであり、同一の製品であっても、得られる情報が異なることから、認証システムにおける鍵の生成や認証用に用いることが期待されている。PUFにおいては、内部構造が解析され再現されてしまうことを避けるため、一定の時間ごとに書き換えることのできるものが好ましく、本実施の形態における抵抗変化素子を用いることができる。
(authentication system)
Next, an authentication system according to this embodiment will be described. PUF uses slight differences in characteristics in semiconductor devices, etc., and even with the same product, the information obtained is different, so it is expected to be used for key generation and authentication in authentication systems. It is In order to prevent the internal structure from being analyzed and reproduced, the PUF is preferably rewritable at regular intervals, and the variable resistance element of the present embodiment can be used.
図21は、本実施の形態における認証システムの構造図である。本実施の形態における認証システムは、本実施の形態における抵抗変化素子100、書き込み回路61、読み出し回路62、出力回路63等を有している。本実施の形態においては、書き込み回路62により抵抗変化素子100に書き込みを行い、登録を行う。具体的には、書き込み回路61より抵抗変化素子100のヒータ38及び39に電流を流すことにより、第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34を溶融させて書き込みを行う。認証の際には、読み出し回路62より、抵抗変化素子100の上部配線20の入力部21に電気信号を入力し、抵抗変化部30を通り、下部配線10の出力部11より得られた電気信号により、抵抗変化素子100における各々の抵抗変化部30の抵抗の値を得る。このように得られた抵抗値の値に基づく出力信号を出力回路63より出力し、認証を行う。
FIG. 21 is a structural diagram of an authentication system according to this embodiment. The authentication system according to the present embodiment has the
〔第2の実施の形態〕
(抵抗変化素子)
次に、第2の実施の形態における抵抗変化素子について、図22に基づき説明する。本実施の形態における抵抗変化素子は、絶縁基板140の上に形成された第1の配線110、第2の配線120、抵抗変化部130を有している。第1の配線110及び第2の配線120は金属等により形成されており、各々複数設けられており、互いに直交するように配置されている。抵抗変化部130は、このように配置された第1の配線110と第2の配線120との間に設けられており、2次元状に配置されている。尚、図22においては、絶縁膜等は省略されている。
[Second embodiment]
(Resistance change element)
Next, a variable resistance element according to the second embodiment will be described with reference to FIG. 22 . The variable resistance element in this embodiment has a
本実施の形態における抵抗変化素子は、第1の配線110の入力部111より電気信号が入力されると、抵抗変化部130を通り、第2の配線120に流れ、第2の配線120の出力部121より電気信号が出力される。第2の配線120の出力部121より出力される電気信号は、抵抗変化部130の抵抗の値に対応した信号である。従って、各々の抵抗変化部130の抵抗値を変えることにより、多値情報の記憶等が可能である。
In the variable resistance element of the present embodiment, when an electric signal is input from the
次に、本実施の形態における抵抗変化素子の抵抗変化部130の構造について、図23に基づき説明する。本実施の形態における抵抗変化素子の抵抗変化部130は、絶縁基板140の上に、グラフェン層133が設けられており、同じグラフェン層133の同一面の上に、第1の共晶合金層132、第2の共晶合金層134が設けられているものである。第1の共晶合金層132の上には、第1の金属層131が設けられており、第1の金属層131の上には、第1の配線110が接続されている。第2の共晶合金層134の上には、第2の金属層135が設けられており、第2の金属層135の上には、第2の配線120が接続されている。尚、第1の配線110を形成するための層間絶縁膜161が形成されている。
Next, the structure of the
第1の共晶合金層132及び第2の共晶合金層134は、In、Bi、Sn、Ga、Pbのうち2以上の元素を含む比較的融点の低い共晶合金により形成されており、例えば、厚さが10μm~20μmのSnInにより形成されている。
The first
第1の配線110及び第2の配線120は、厚さが0.2μmのCu等により形成されている。
The
第1の金属層131は、第1の共晶合金層132が加熱された際に、第1の配線110に含まれているCuが、第1の共晶合金層132に進入することを防ぐために設けられている。同様に、第2の金属層135は、第2の共晶合金層134が加熱された際に、第2の配線120に含まれているCuが、第2の共晶合金層134に進入することを防ぐために設けられている。このため、第1の金属層131及び第2の金属層135は、Cuに対してバリア性を有するTaやW等により形成されており、膜厚は100nm以上、200nm以下である。第1の共晶合金層132及び第2の共晶合金層134にCuが入り込むと、第1の共晶合金層132及び第2の共晶合金層134における融点等が上昇し、所定の温度では溶融しなくなるため、これを防ぐために設けられている。グラフェン層133は、1原子層または2原子層の厚さのグラフェンにより形成されている。
The
また、第1の共晶合金層132及び第2の共晶合金層134等の周囲には、絶縁膜136が形成されており、絶縁膜136の第1の共晶合金層132の近傍及び第2の共晶合金層134の近傍には、ヒータ138が埋め込まれている。絶縁膜136は、酸化シリコンや酸化アルミニウムにより形成されており、ヒータ138は、電流が流れると発熱するニクロム等の電熱線材料により形成されている。
An insulating
本実施の形態における抵抗変化素子において、情報を書き込む際には、ヒータ138に電流を流し、第1の共晶合金層132及び第2の共晶合金層134を加熱する。第1の共晶合金層132及び第2の共晶合金層134は、所定の温度まで加熱されると溶融するが、ヒータ138に流れる電流を止めると、温度が下がり凝固する。この凝固の際に、界面における共晶合金を形成している元素の割合が変化する。
In the variable resistance element of this embodiment mode, when writing information, a current is supplied to the
例えば、第1の共晶合金層132及び第2の共晶合金層134をSn-In等の共晶合金により形成することにより、第1の共晶合金層132及び第2の共晶合金層134の界面におけるSnとInの割合を変化させることができる。これにより、抵抗を変化させることができる。
For example, by forming the first
(抵抗変化素子の製造方法)
次に、本実施の形態における抵抗変化素子の製造方法について、図24~図35に基づき説明する。
(Manufacturing method of variable resistance element)
Next, a method for manufacturing the variable resistance element according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 24 to 35. FIG.
最初に、図24に示されるように、絶縁基板140の上に、グラフェン層133を形成する。形成されるグラフェン層133は転写により形成される。
First, a
次に、図25に示されるように、グラフェン層133及び絶縁基板140の上に、絶縁膜136の一部となる絶縁膜136aを形成し、更に、絶縁膜136aの上に、開口部151aを有するレジストパターン151を形成する。具体的には、CVDにより酸化シリコン膜を成膜することにより、絶縁膜136aを形成する。絶縁膜136aの上に、フォトレジストを塗布し、露光装置により露光、現像を行うことにより、ヒータ138が形成される領域に開口部151aを有するレジストパターン151を形成する。
Next, as shown in FIG. 25, an insulating
次に、図26に示されるように、レジストパターン151の開口部151aにおける絶縁膜136aを除去することにより、絶縁膜136aに開口部を形成し、絶縁膜136aの開口部にヒータ138を形成し、更に、レジストパターン151を除去する。具体的には、RIE等のドライエッチングにより、レジストパターン151の開口部151aにおける絶縁膜136aを除去することにより、絶縁膜136aに開口部を形成する。この後、レジストパターン151の上及び絶縁膜136aの開口部を埋め込むニクロム膜を形成する。ニクロム膜は、真空蒸着による成膜により形成され、絶縁膜136の高さまで、開口部が埋め込まれるように形成する。この後、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターン151の上のニクロム膜をレジストパターン151とともにリフトオフにより除去する。これにより、絶縁膜136の開口部に埋め込まれた残存するニクロム膜により、ヒータ138が形成される。尚、ヒータ138は、ニクロムを無電解メッキすることにより形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 26, an opening is formed in the insulating
次に、図27に示されるように、絶縁膜136a及びヒータ138の上に、絶縁膜136cを成膜することにより、絶縁膜136aと絶縁膜136cとにより絶縁膜136を形成し、更に、絶縁膜136の上にレジストパターン152を形成する。絶縁膜136cは、CVDにより酸化シリコン膜を成膜することにより形成する。このように形成される絶縁膜136の膜厚は10μm以上、20μm以下である。この後、絶縁膜136の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置により露光、現像を行うことにより、第1の共晶合金層132及び第2の共晶合金層134が形成される領域に開口部152a、152bを有するレジストパターン152を形成する。
Next, as shown in FIG. 27, an insulating
次に、図28に示されるように、レジストパターン152の開口部152a、152bにおける絶縁膜136をグラフェン層133の表面が露出するまで、RIE等のドライエッチングにより除去する。これにより、絶縁膜136に開口部136d、136eを形成する。絶縁膜136に形成される開口部136d、136eは、第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34が形成される領域に形成される。
Next, as shown in FIG. 28, the insulating
次に、図29に示されるように、絶縁膜136の開口部136dのグラフェン層133の上に、第1の共晶合金層132及び第1の金属層131を形成し、開口部136eのグラフェン層133の上に、第2の共晶合金層134及び第2の金属層135を形成する。具体的には、絶縁膜136の開口部136d、136eにおいて露出しているグラフェン層133の上に、電解メッキにより共晶合金であるSn-52Inを堆積させることにより、第1の共晶合金層132及び第2の共晶合金層134を形成する。この後、レジストパターン152、第1の共晶合金層132及び第2の共晶合金層134の上に、真空蒸着によりW膜を成膜し、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターン152の上のW膜をレジストパターン152とともにリフトオフにより除去する。これにより、第1の共晶合金層132の上に残存するW膜により第1の金属層131を形成し、第2の共晶合金層134の上に残存するW膜により第2の金属層135を形成する。
Next, as shown in FIG. 29, the first
次に、図30に示されるように、配線が形成される領域に開口部153a、153bを有するレジストパターン153を形成する。具体的には、絶縁膜136、第1の金属層131、第2の金属層135の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、第1の金属層131及び第2の金属層135を含む領域に開口部153a、153bを有するレジストパターン153を形成する。
Next, as shown in FIG. 30, a resist
次に、図31に示されるように、Cu膜を成膜し、リフトオフによりレジストパターン153を除去することにより、第1の金属層131の上に第2の配線120を形成し、第2の金属層135の上に配線層112を形成する。具体的には、絶縁膜136、第1の金属層131、第2の金属層135及びレジストパターン153の上に、真空蒸着によりCu膜を成膜する。この後、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターン153の上のCu膜をレジストパターン153とともにリフトオフにより除去する。これにより、第1の金属層131の上に残存するCu膜により第2の配線120が形成され、第2の金属層135の上に残存するCu膜により配線層112が形成される。尚、第2の配線120及び配線層112は、メッキにより形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 31, a Cu film is formed and the resist
次に、図32に示されるように、絶縁膜36、第2の配線120、配線層112の上に、層間絶縁膜161を形成し、更に、層間絶縁膜161の上にレジストパターン154を形成する。具体的には、絶縁膜36、第2の配線120、配線層112の上に、CVDにより酸化シリコン膜を成膜することにより層間絶縁膜161を形成する。この後、層間絶縁膜161の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、配線層112が形成されている領域の上に開口部154aを有するレジストパターン154を形成する。層間絶縁膜161は、第2の配線120及び配線層112の膜厚よりも、厚くなるように形成する。
Next, as shown in FIG. 32, an
次に、図33に示されるように、レジストパターン154の開口部154aにおける層間絶縁膜161を除去し、配線層112を露出させた後、真空蒸着によりCu膜113aを成膜する。
Next, as shown in FIG. 33, the
次に、図34に示されるように、残存するCu膜113aにより配線層113を形成し、更に、層間絶縁膜161の上に、開口部155aを有するレジストパターン155を形成する。具体的には、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターン154の上のCu膜113aをレジストパターン154とともにリフトオフにより除去する。これにより、配線層112の上に残存するCu膜113aにより配線層113が形成される。この後、層間絶縁膜161及び配線層113の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、第1の配線110が形成される領域に開口部155aを有するレジストパターン155を形成する。レジストパターン155の開口部155aにおいては、配線層113が露出している。尚、配線層113は、メッキにより形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 34, the
次に、図35に示されるように、配線層114を成膜することにより、配線層112、113、114により、第1の配線110を形成する。具体的には、レジストパターン155、配線層113及び層間絶縁膜161の上に、真空蒸着によりCu膜を成膜した後、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターン155の上のCu膜をレジストパターン155とともにリフトオフにより除去する。これにより、配線層113の上に残存するCu膜により配線層114を形成し、配線層112、113、114により第1の配線110が形成される。尚、配線層114は、メッキにより形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 35, a
以上の工程により、本実施の形態における抵抗変化素子を作製することができる。 Through the steps described above, the variable resistance element according to the present embodiment can be manufactured.
尚、上記以外の内容については、第1の実施の形態と同様である。 Contents other than the above are the same as in the first embodiment.
〔第3の実施の形態〕
次に、第3の実施の形態における抵抗変化素子について説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態における抵抗変化素子において、ヒータ38、39が設けられていない構造のものである。即ち、本実施の形態における抵抗変化素子は、図36に示されるように、第1の絶縁膜36の内部にはヒータ38は設けられておらず、第2の絶縁膜37の内部にもヒータ39は設けられてはいない。このため、第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34を加熱する際には、外部より不図示のヒータを接触させて、第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34を加熱し、共晶合金を溶融させる。または、第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34における共晶金属の融点が低い場合には、下部配線10及び上部配線20に過電流を流し、第1の共晶合金層32及び第2の共晶合金層34を加熱し溶融させてもよい。
[Third Embodiment]
Next, a variable resistance element according to the third embodiment will be described. This embodiment has a structure in which the
このようにヒータ38、39が設けられていない構造にすることにより、抵抗変化素子を製造する際に、ヒータ38、39を形成する工程が不要となり、低コストで抵抗変化素子を製造することが可能となる。
By adopting a structure in which the
また、本実施の形態は、第2の実施の形態における抵抗変化素子にも適用可能である。即ち、図37に示されるように、絶縁膜136の内部にヒータ138が設けらていないものであってもよい。この場合においても加熱は、外部より不図示のヒータを接触させて、第1の共晶合金層132及び第2の共晶合金層134を加熱してもよく、第1の共晶合金層132及び第2の共晶合金層134に過電流を流すことにより、発熱させてもよい。
Further, this embodiment can also be applied to the variable resistance element in the second embodiment. That is, as shown in FIG. 37, the
尚、上記以外の内容については、第1の実施の形態または第2の実施の形態と同様である。 Contents other than the above are the same as those in the first embodiment or the second embodiment.
〔第4の実施の形態〕
次に、第4の実施の形態における抵抗変化素子について説明する。本実施の形態における抵抗変化素子は、1つの抵抗変化部に、共晶合金層が1つ設けられている構造のものである。具体的には、本実施の形態における抵抗変化素子は、図38に示されるように、下部配線10と上部配線20との間の抵抗変化部230が形成されている。抵抗変化部230は、下部配線10の上に、グラフェン層33、共晶合金層234、金属層235が積層されて形成されており、金属層235の上には、上部配線20が形成されている。共晶合金層234及び金属層235の周囲には、絶縁膜237が形成されており、絶縁膜237において、共晶合金層234の近傍には、ヒータ239が埋め込まれている。共晶合金層234は、第1の実施の形態における第2の共晶合金層34と同様のものであり、金属層235は、第2の金属層35と同様のものであり、絶縁膜237は、第2の絶縁膜37と同様のものであり、ヒータ239はヒータ39と同様のものである。
[Fourth Embodiment]
Next, a variable resistance element according to the fourth embodiment will be described. The variable resistance element in the present embodiment has a structure in which one eutectic alloy layer is provided in one variable resistance portion. Specifically, as shown in FIG. 38, the variable resistance element of the present embodiment has a
本実施の形態における抵抗変化素子は、最初に、絶縁基板40の上に下部配線10が形成されているものの上に、グラフェン層33を形成する。その後、第1の実施の形態における抵抗変化素子の製造方法の一部(図15~図20に示される工程)と同様の工程により、製造可能である。本実施の形態においては、共晶合金層234とグラフェン層233との界面の1ヶ所において抵抗が変化するため、第1の実施の形態と比べて、抵抗の変化の幅は狭いが、構造が簡単であるため、製造が容易である。
In the variable resistance element of the present embodiment, the
尚、上記以外の内容については、第1の実施の形態と同様である。 Contents other than the above are the same as in the first embodiment.
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。 Although the embodiment has been described in detail above, it is not limited to a specific embodiment, and various modifications and changes are possible within the scope described in the claims.
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
グラフェン層と、
前記グラフェン層に接触する共晶合金層と、
を有することを特徴とする抵抗変化素子。
(付記2)
前記グラフェン層は、第1の配線と接触しており、
前記共晶合金層は、WまたはTaを含む金属層を介して第2の配線と接続されていることを特徴とする付記1に記載の抵抗変化素子。
(付記3)
前記共晶合金層の周囲には、電流によって昇温し、前記共晶合金層を加熱するヒータが設けられていることを特徴とする付記1または2に記載の抵抗変化素子。
(付記4)
グラフェン層と、
前記グラフェン層に接触する第1の共晶合金層と、
前記グラフェン層に接触する第2の共晶合金層と、
を有することを特徴とする抵抗変化素子。
(付記5)
前記第1の共晶合金層は、前記グラフェン層の一方の面に接触しており、
前記第2の共晶合金層は、前記グラフェン層の他方の面に接触していることを特徴とする付記4に記載の抵抗変化素子。
(付記6)
前記第1の共晶合金層及び前記第2の共晶合金層は、前記グラフェン層の同一面と接触していることを特徴とする付記4に記載の抵抗変化素子。
(付記7)
前記第1の共晶合金層は、WまたはTaを含む第1の金属層を介して第1の配線と接続されており、
前記第2の共晶合金層は、WまたはTaを含む第2の金属層を介して第2の配線と接続されていることを特徴とする付記4から6のいずれかに記載の抵抗変化素子。
(付記8)
前記第1の共晶合金層及び第2の共晶合金層の周囲には、電流によって昇温し、前記第1の共晶合金層及び第2の共晶合金層を加熱するヒータが設けられていることを特徴とする付記4から7のいずれかに記載の抵抗変化素子。
(付記9)
前記共晶合金は、In、Bi、Sn、Ga、Pbのいずれかを含むものであることを特徴とする付記1から8のいずれかに記載の抵抗変化素子。
(付記10)
前記共晶合金は、Sn-In-Bi、または、Sn-In-Pbであることを特徴とする付記1から8のいずれかに記載の抵抗変化素子。
(付記11)
前記共晶合金を加熱し溶融し凝固させることにより、前記グラフェン層との界面における抵抗を変化させるものであることを特徴とする付記1から10のいずれかに記載の抵抗変化素子。
(付記12)
絶縁基板の上の第1の配線の上に、グラフェン層を形成する工程と、
前記グラフェン層の上に、共晶合金層を形成する工程と、
前記共晶合金層と接続される第2の配線を形成する工程と、
を有することを特徴とする抵抗変化素子の製造方法。
(付記13)
前記共晶合金層と前記第2の配線との間に、WまたはTaを含む金属層を形成する工程を有することを特徴とする付記12に記載の抵抗変化素子。
(付記14)
前記共晶合金層の周囲に、電流によって昇温し、前記共晶合金層を加熱するヒータを形成する工程を有することを特徴とする付記12または13に記載の抵抗変化素子。
(付記15)
第1の配線の上に、第1の共晶合金層を形成する工程と、
前記第1の共晶合金層の上に、グラフェン層を形成する工程と、
前記グラフェン層の上に、第2の共晶合金層を形成する工程と、
前記第2の共晶合金層の上に、第2の配線を形成する工程と、
を有することを特徴とする抵抗変化素子の製造方法。
(付記16)
絶縁基板の上に、グラフェン層を形成する工程と、
前記グラフェン層の上に、第1の共晶合金層及び第2の共晶合金層を形成する工程と、
前記第1の共晶合金層と接続される第1の配線を形成する工程と、
前記第2の共晶合金層と接続される第2の配線を形成する工程と、
を有することを特徴とする抵抗変化素子の製造方法。
(付記17)
前記第1の共晶合金層と前記第1の配線との間に、WまたはTaを含む第1の金属層を形成する工程と、
前記第2の共晶合金層と前記第2の配線との間に、WまたはTaを含む第2の金属層を形成する工程と、
を有することを特徴とする付記15または16に記載の抵抗変化素子の製造方法。
(付記18)
前記第1の共晶合金層及び第2の共晶合金層の周囲に、電流によって昇温し、前記第1の共晶合金層及び第2の共晶合金層を加熱するヒータを形成する工程を有すること特徴とする付記15から17のいずれかに記載の抵抗変化素子の製造方法。
(付記19)
前記共晶合金は、In、Bi、Sn、Ga、Pbのいずれかを含むものであることを特徴とする付記12から18のいずれかに記載の抵抗変化素子の製造方法。
(付記20)
前記共晶合金は、Sn-In-Bi、または、Sn-In-Pbであることを特徴とする付記12から18のいずれかに記載の抵抗変化素子の製造方法。
With respect to the above description, the following notes are further disclosed.
(Appendix 1)
a graphene layer;
a eutectic alloy layer in contact with the graphene layer;
A variable resistance element comprising:
(Appendix 2)
The graphene layer is in contact with the first wiring,
The variable resistance element according to
(Appendix 3)
3. The variable resistance element according to
(Appendix 4)
a graphene layer;
a first eutectic alloy layer in contact with the graphene layer;
a second eutectic alloy layer in contact with the graphene layer;
A variable resistance element comprising:
(Appendix 5)
The first eutectic alloy layer is in contact with one surface of the graphene layer,
5. The resistance change element according to
(Appendix 6)
5. The resistance change element according to
(Appendix 7)
The first eutectic alloy layer is connected to the first wiring via a first metal layer containing W or Ta,
7. The variable resistance element according to any one of
(Appendix 8)
A heater is provided around the first eutectic alloy layer and the second eutectic alloy layer to heat the first eutectic alloy layer and the second eutectic alloy layer. 8. The variable resistance element according to any one of
(Appendix 9)
9. The variable resistance element according to any one of
(Appendix 10)
9. The variable resistance element according to any one of
(Appendix 11)
11. The variable resistance element according to any one of
(Appendix 12)
forming a graphene layer on the first wiring on the insulating substrate;
forming a eutectic alloy layer on the graphene layer;
forming a second wiring connected to the eutectic alloy layer;
A method of manufacturing a variable resistance element, comprising:
(Appendix 13)
13. The variable resistance element according to claim 12, further comprising the step of forming a metal layer containing W or Ta between the eutectic alloy layer and the second wiring.
(Appendix 14)
14. The variable resistance element according to Supplementary Note 12 or 13, further comprising a step of forming a heater around the eutectic alloy layer, which is heated by current and heats the eutectic alloy layer.
(Appendix 15)
forming a first eutectic alloy layer on the first wiring;
forming a graphene layer on the first eutectic alloy layer;
forming a second eutectic alloy layer on the graphene layer;
forming a second wiring on the second eutectic alloy layer;
A method of manufacturing a variable resistance element, comprising:
(Appendix 16)
forming a graphene layer on an insulating substrate;
forming a first eutectic alloy layer and a second eutectic alloy layer on the graphene layer;
forming a first wiring connected to the first eutectic alloy layer;
forming a second wiring connected to the second eutectic alloy layer;
A method of manufacturing a variable resistance element, comprising:
(Appendix 17)
forming a first metal layer containing W or Ta between the first eutectic alloy layer and the first wiring;
forming a second metal layer containing W or Ta between the second eutectic alloy layer and the second wiring;
17. A method of manufacturing a variable resistance element according to
(Appendix 18)
A step of forming a heater around the first eutectic alloy layer and the second eutectic alloy layer, which is heated by an electric current and heats the first eutectic alloy layer and the second eutectic alloy layer. 18. The method of manufacturing a variable resistance element according to any one of
(Appendix 19)
19. The method of manufacturing a resistance change element according to any one of appendices 12 to 18, wherein the eutectic alloy contains any one of In, Bi, Sn, Ga, and Pb.
(Appendix 20)
19. The method of manufacturing a variable resistance element according to any one of appendices 12 to 18, wherein the eutectic alloy is Sn--In--Bi or Sn--In--Pb.
10 下部配線
11 出力部
20 上部配線
21 入力部
30 抵抗変化部
31 第1の金属層
32 第1の共晶合金層
33 グラフェン層
34 第2の共晶合金層
35 第2の金属層
36 第1の絶縁膜
37 第2の絶縁膜
38 ヒータ
39 ヒータ
40 絶縁基板
10 lower wiring 11
Claims (4)
前記グラフェン層の上に、共晶合金層を形成する工程と、
前記共晶合金層と接続される第2の配線を形成する工程と、
を有し、
前記共晶合金層は、In、Bi、Sn、Ga、Pbのいずれかを含むことを特徴とする抵抗変化素子の製造方法。 forming a graphene layer on the first wiring on the insulating substrate;
forming a eutectic alloy layer on the graphene layer;
forming a second wiring connected to the eutectic alloy layer;
has
A method of manufacturing a variable resistance element , wherein the eutectic alloy layer contains any one of In, Bi, Sn, Ga, and Pb .
前記第1の共晶合金層の上に、グラフェン層を形成する工程と、
前記グラフェン層の上に、第2の共晶合金層を形成する工程と、
前記第2の共晶合金層の上に、第2の配線を形成する工程と、
を有し、
前記第1の共晶合金層及び前記第2の共晶合金層は、In、Bi、Sn、Ga、Pbのいずれかを含むことを特徴とする抵抗変化素子の製造方法。 forming a first eutectic alloy layer on the first wiring;
forming a graphene layer on the first eutectic alloy layer;
forming a second eutectic alloy layer on the graphene layer;
forming a second wiring on the second eutectic alloy layer;
has
A method of manufacturing a variable resistance element , wherein the first eutectic alloy layer and the second eutectic alloy layer contain any one of In, Bi, Sn, Ga, and Pb.
前記グラフェン層の上に、第1の共晶合金層及び第2の共晶合金層を形成する工程と、
前記第1の共晶合金層と接続される第1の配線を形成する工程と、
前記第2の共晶合金層と接続される第2の配線を形成する工程と、
を有することを特徴とする抵抗変化素子の製造方法。 forming a graphene layer on an insulating substrate;
forming a first eutectic alloy layer and a second eutectic alloy layer on the graphene layer;
forming a first wiring connected to the first eutectic alloy layer;
forming a second wiring connected to the second eutectic alloy layer;
A method of manufacturing a variable resistance element, comprising:
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