JPWO2009078251A1 - スイッチング素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
始めに、本発明の実施の形態1について説明する。図1は、発明の実施の形態1におけるスイッチング素子の構成例を模式的に示す断面図である。このスイッチング素子は、第1電極101と、第2電極102と、第1電極101および第2電極102の間に配置された複合酸化物イオン伝導層103とを備える。まず、複合酸化物イオン伝導層103は、金属酸化物を含む少なくとも2つの酸化物を備えている。また、第1電極101は、複合酸化物イオン伝導層103に電子を供給可能としている。また、第2電極102は、金属を含み、この金属のイオンを複合酸化物イオン伝送層103に供給可能としている。なお、第1電極101は、電圧を印加した際に、複合酸化物イオン伝導層103中に金属イオンを供給しないことが望ましい。
始めに、実施例1の製造方法について、図7A〜図7Dを用いて説明する。
図7Aに示すように、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板701を用意し、基板701の表面に膜厚300nmのシリコン酸化膜702を形成する。また、シリコン酸化膜702の上に、例えば真空蒸着法もしくはスパッタ法により、白金からなる膜厚100nmの第1電極703を形成する。なお、第1電極703は、白金に限らず、タングステン,タンタル,チタンなどの、複合酸化物イオン伝導層に金属イオンを溶出させない材料から構成されていればよい。ところで、基板701は、よく知られた技術により、MOSトランジスタや抵抗素子などの複数の半導体素子が集積されて形成されていてもよい。この場合、シリコン酸化膜702は、層間絶縁膜となる。
図7Bに示すように、第1電極703の上に、層厚15nmの複合酸化物イオン伝導層704を形成する。複合酸化物イオン伝導層704は、例えば、酸化タンタルをベースとして46mol%の酸化シリコンが含まれた焼結体ターゲットを用い、よく知られたRFスパッタ法により形成すればよい。この際、成膜される複合酸化物の組成が、ターゲットの組成に近くなるように、供給する酸素流量などの各条件を最適化して設定する。
以上のようにして複合酸化物イオン伝導層704が形成された後、図7Cに示すように、まず、複合酸化物イオン伝導層704の上に、スパッタ法もしくはCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、酸化シリコンからなる層厚100nmの絶縁層705を形成する。次に、公知のリソグラフィー技術を用い、スピンコートにより絶縁層705の上に感光性レジスト層を形成し、所定の光像を感光性レジストに感光させて潜像を形成し、これを現像することで、所望とする箇所に開口部を備えたレジストパターンを形成する。このようにして形成したレジストパターンをマスクとし、よく知られたドライエッチング法により、絶縁層705を選択的にエッチングし、底部に複合酸化物イオン伝導層704の一部表面が露出する開口部705aを形成する。
以上のようにして、開口部705aを備えた絶縁層705を形成した後、この上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚100nmの銅を堆積させて銅膜を形成し、この銅膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により加工することで、図7Dに示すように、第2電極706を形成する。第2電極706は、開口部705a内において、複合酸化物イオン伝導層704に接した状態となる。
次に、実施例2の製造方法について説明する。なお、この実施例2においても、図7を用いて説明する。
図7Aに示すように、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板701を用意し、基板701の表面に膜厚300nmのシリコン酸化膜702を形成する。また、シリコン酸化膜702の上に、白金からなる膜厚100nmの第1電極703を形成する。これは、上述した実施例1と同様である。
図7Bに示すように、第1電極703の上に、層厚15nmの複合酸化物イオン伝導層704を形成する。複合酸化物イオン伝導層704は、例えば、酸化タンタルからなる焼結体ターゲットと酸化シリコンのターゲットとの、2つのターゲットを同一の成膜室内で用い、よく知られたRFスパッタ法により形成することができる。この際、成膜される複合酸化物が、所望の組成比の状態となるように、供給する酸素流量やターゲットへの印加電力などの各条件を最適化して設定する。所望の組成比は、例えば、酸化タンタルをベースとして46mol%のシリコンが含まれた状態である。
以上のようにして複合酸化物イオン伝導層704が形成された後、図7Cに示すように、複合酸化物イオン伝導層704の上に、開口部705aを備えた絶縁層705を形成する。
次に、図7Dに示すように、絶縁層705の上に、第2電極706を形成する。
以上の工程3,工程4は、前述した実施例1と同様である。
次に、実施例3の製造方法について説明する。なお、この実施例3では、図8A〜図8Fを用い、半導体集積回路の配線層中にスイッチング素子を組み込んだ場合の製造方法例について説明する。
図8Aに示すように、単結晶シリコンかなる基板801を用意し、この上に、第1保護絶縁膜802,第1層間絶縁膜803,および第1ストップ絶縁膜804を形成する。なお、基板801は、よく知られた技術により、MOSトランジスタや抵抗素子などの複数の半導体素子が集積されて形成されている。
図8Bに示すように、まず、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用い、第1保護絶縁膜802,第1層間絶縁膜803,および第1ストップ絶縁膜804を貫通する開口部が形成され状態とする。次に、この開口部の内部を含む第1ストップ絶縁膜804の上に、第1バリアメタル層805が形成された状態とし、次いで、第1バリアメタル層805の表面にスパッタ法により銅シード層を形成する。銅シード層は、層厚20〜100nm程度であればよい。次に、形成した銅シード層の上に、メッキ法により銅を析出させ、膜厚300〜800nm程度の銅膜を形成する。
図8Cに示すように、第2保護絶縁膜807の上に、第2層間絶縁膜808,第3保護絶縁膜809,第3層間絶縁膜810,および第2ストップ絶縁膜811が、これらの順に積層された状態とする。
図8Dに示すように、第2ストップ絶縁膜811および第3層間絶縁膜810を貫通する開口部812を形成する。開口部812は、第1配線層806に接続する配線ビアを形成するための開口領域に形成すればよい。開口部812は、よく知られたフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて形成すればよい。
図8Eに示すように、第2層間絶縁膜808および第2保護絶縁膜807を貫通する接続孔813が形成され、第2ストップ絶縁膜811および第3層間絶縁膜810に配線溝812aを形成する。例えば、前述同様に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いることで、配線溝812aを形成することができる。この、配線溝812aの形成において、既に形成されていた開口部812の形状が第2層間絶縁膜808および第2保護絶縁膜807に転写され、接続孔813が形成された状態が得られる。配線溝812aは、スイッチング素子の第2電極およびこれに接続する第2配線層が形成される領域である。
形成された接続孔813および配線溝812aの内部に、スイッチング素子の第1電極として機能する第2バリアメタル814を形成し、この上に、複合酸化物イオン伝導層815を形成する。複合酸化物イオン伝導層815は、前述同様に、スパッタ法により形成すればよく、形成した層の厚さ(堆積厚)として15nm程度とすればよい。この後、スパッタ法により層厚20〜100nm程度に銅シード層を形成し、この上に、メッキ法により銅膜を形成する。形成する銅膜は、膜厚300〜800nm程度とすればよい。この後、よく知られたCMP法により、第2ストップ絶縁膜811の表面が露出するまで上記銅膜,第2バリアメタル814および複合酸化物イオン伝導層815の一部を研削削除する。
次に、本発明の実施の形態2について説明する。図9は、発明の実施の形態2におけるスイッチング素子の構成例を模式的に示す断面図である。このスイッチング素子は、金属酸化物を含む少なくとも2つの酸化物を備えた複合酸化物イオン伝導層903と、複合酸化物イオン伝導層903の一方の面の側に配置され、複合酸化物イオン伝導層903に電子を供給する第1電極901を備える。
図11Aに示すように、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板1101を用意し、基板1101の表面に膜厚300nmのシリコン酸化膜1102を形成する。また、シリコン酸化膜1102の上に、例えば真空蒸着法もしくはスパッタ法により、銅からなる膜厚100nmの第2電極1103を形成する。第2電極1103が、図9(図10)の第2電極902に相当する。
図11Bに示すように、第2電極1103の上に、層厚15nmの複合酸化物イオン伝導層1104を形成する。複合酸化物イオン伝導層1104は、例えば、酸化タンタルをベースとして46mol%の酸化シリコンが含まれた焼結体ターゲットを用い、よく知られたRFスパッタ法により形成すればよい。この際、成膜される複合酸化物の組成が、ターゲットの組成に近くなるように、供給する酸素流量などの各条件を最適化して設定する。
以上のようにして複合酸化物イオン伝導層1104が形成された後、まず、複合酸化物イオン伝導層1104の上に、スパッタ法により、酸化シリコンからなる層厚100nmの絶縁層を形成する。次に、公知のリソグラフィー技術を用い、スピンコートにより絶縁層の上に感光性レジスト層を形成し、所定の光像を感光性レジストに感光させて潜像を形成し、これを現像することで、所望とする箇所に開口部を備えたレジストパターンを形成する。このようにして形成したレジストパターンをマスクとし、よく知られたドライエッチング法により、絶縁層を選択的にエッチングする。これらのことにより、図11Cに示すように、底部に複合酸化物イオン伝導層1104の表面が底部に露出する開口部1105aを備えた絶縁層1105が、複合酸化物イオン伝導層1104の一部領域に形成された状態が得られる。
以上のようにして、開口部1105aを備えた絶縁層1105を形成した後、この上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚100nmの白金を堆積させて白金膜を形成する。次に、この白金膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により加工することで、図11Dに示すように、第1電極1106を形成する。第1電極1106は、開口部1105a内において、複合酸化物イオン伝導層1104に接続した状態となる。第1電極1106が、図9(図10)の第1電極901に相当する。
次に、本発明の実施の形態3について説明する。図13は、本実施の形態におけるスイッチング素子の構成例を模式的に示す断面図である。このスイッチング素子は、第1電極1301と、第2電極1302と、第1電極1301および第2電極1302の間に配置された酸化物イオン伝導層(第1イオン伝導層)1303と複合酸化物イオン伝導層(第2イオン伝導層)1304とを備える。酸化物イオン伝導層1303は、例えば酸化タンタルなどの金属酸化物から構成されている。
まず、本実施例のスイッチング素子の構成について図15の断面図を用いて説明する。このスイッチング素子は、例えば、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板1501と、基板1501の上に形成されたシリコン酸化膜1502と、シリコン酸化膜1502の上に形成された第1電極1503と、酸化物イオン伝送層1504とを備える。また、酸化物イオン伝送層1504の上には、複合酸化物イオン伝送層1505が形成されている。また、複合酸化物イオン伝送層1505の上には、絶縁層1506が形成され、絶縁層1506の上に第2電極1507が形成されている。例えば、複合酸化物イオン伝送層1505の一部が、絶縁層1506により覆われている。また、絶縁層1506の一部に形成された開口部(貫通孔)を介し、複合酸化物イオン伝送層1505と第2電極1507とが接続している。
図19Aに示すように、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板1501を用意し、基板1501の表面に膜厚300nmのシリコン酸化膜1502を形成する。また、シリコン酸化膜1502の上に、第1電極1503を形成する。例えば、まず、例えば真空蒸着法もしくはスパッタ法により、膜厚40nmの白金膜を形成する。次に、白金膜の上にフォトレジスト膜を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術によりフォトレジスト膜をパターニングし、所望の形状(配線形状)のレジストパターンを形成する。
図19Bに示すように、第1電極1503の上に、酸化物イオン伝導層1504および複合酸化物イオン伝導層1505を形成する。例えば、酸化タンタルの焼結体ターゲットを用いたスパッタ法により酸化タンタルを厚さ12nm程度に堆積することで、酸化物イオン伝導層1504が形成できる。引き続いて、酸化タンタル中に酸化シリコンが33mol%含まれた焼結体のターゲットを用いたスパッタ法により、層厚3nmの複合酸化物イオン伝導層1505が形成できる。この後、第1電極1503の形状に合わせ、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術により、酸化物イオン伝導層1504および複合酸化物イオン伝導層1505をパターニングしてもよい。
図19Cに示すように、まず、複合酸化物イオン伝導層1505の上に、スパッタ法もしくはCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、酸化シリコンからなる層厚40nmの絶縁層1506を形成する。次に、公知のリソグラフィー技術を用い、所望とする箇所に開口部を備えたレジストパターンを形成する。このようにして形成したレジストパターンをマスクとし、よく知られたウエットエッチング法により、絶縁層1506を選択的にエッチングし、底部に複合酸化物イオン伝導層1505の一部表面が露出する開口部1505aを形成する。
以上のようにして、開口部1506aを備えた絶縁層1506を形成した後、この上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚100nmの銅を堆積させて銅膜を形成し、この銅膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により加工する。これにより、図19Dに示すように、第2電極1507が形成できる。第2電極1507は、開口部1506a内において、複合酸化物イオン伝導層1504に接した状態となる。
Claims (9)
- 金属酸化物を含む少なくとも2つの酸化物を備えたイオン伝導層と、
このイオン伝導層の一方の面の側に配置され、前記イオン伝導層に電子を供給する第1電極と、
金属を含み、前記イオン伝導層の他方の面の側に配置されて前記イオン伝導層に前記金属のイオンを供給する第2電極と
を少なくとも備えることを特徴とするスイッチング素子。 - 請求項1記載のスイッチング素子において、
前記イオン伝導層は、
前記金属酸化物の結晶化温度より高い結晶化温度を備える
ことを特徴とするスイッチング素子。 - 請求項1記載のスイッチング素子において、
前記金属を含み、前記イオン伝導層の一方の面の側に配置されて前記イオン伝導層に前記金属のイオンを供給する第3電極を備え、
この第3電極は、前記第1電極と絶縁分離して配置されている
ることを特徴とするスイッチング素子。 - 請求項1記載のスイッチング素子において、
前記第1電極は、前記イオン伝導層に金属の拡散を抑制した状態で形成されている
ことを特徴とするスイッチング素子。 - 請求項1記載のスイッチング素子において、
前記イオン伝導層は、金属酸化物として酸化タンタルを含み、酸化物として酸化シリコンおよび酸化アルミニウムの少なくとも1つを含む
ことを特徴とするスイッチング素子。 - 請求項1記載のスイッチング素子において、
前記イオン伝導層は、
前記金属酸化物を備えた第1イオン伝導層と、
前記金属酸化物を含む少なくとも2つの酸化物を備えた第2イオン伝導層と
を備え、
前記第1電極の側に前記第1イオン伝導層が備えられている
ことを特徴とするスイッチング素子。 - 請求項6記載のスイッチング素子において、
前記第1イオン伝導層は、金属酸化物として酸化タンタルを含み、
前記第2イオン伝導層は、金属酸化物として酸化タンタルを含み、酸化物として酸化シリコンおよび酸化アルミニウムの少なくとも1つを含む
ことを特徴とするスイッチング素子。 - 基板の上に第1電極が形成された状態とする第1工程と、
イオン伝導層が前記第1電極の上に形成された状態とする第2工程と、
第2電極が前記イオン伝導層の上に形成された状態とする第3工程と
を少なくとも備え、
前記イオン伝導層は、金属酸化物を含む少なくとも2つの酸化物を備え、
前記第1電極は、前記イオン伝導層に電子を供給し、
前記第2電極は、金属を含み、前記イオン伝導層に前記金属のイオンを供給する
ことを特徴とするスイッチング素子の製造方法。 - 基板の上に第2電極が形成された状態とする第1工程と、
前記第2電極の上にイオン伝導層が形成された状態とする第2工程と、
前記イオン伝導層の上に第1電極が形成された状態とする第3工程と、
前記イオン伝導層の上に第3電極が形成された状態とする第4工程と
を少なくとも備え、
前記イオン伝導層は、金属酸化物を含む少なくとも2つの酸化物を備え、
前記第1電極は、前記イオン伝導層に電子を供給し、
前記第2電極は、金属を含み、前記イオン伝導層に前記金属のイオンを供給し、
前記第3電極は、前記金属を含み、前記イオン伝導層に前記金属のイオンを供給する
ことを特徴とするスイッチング素子の製造方法。
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