(57)【要約】【課題】良好な動作特性を有するとともに加工が容易な不揮発性記憶装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】基板上に、第１の方向に延在する第１の配線と、前記第１の方向に非平行な第２の方向に延在する第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との間に挟持され、前記第１の配線と前記第２の配線とを介して供給される電流により、第１の状態と第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、を備え、前記記録層は、前記第１及び前記第２の方向に対して平行な断面が前記第２の配線に近づくにつれて大きくなる逆テーパ形状を有することを特徴とする不揮発性記憶装置を提供する。【選択図】図１
2010080518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、
第１の方向に延在する第１の配線と、
前記第１の方向に非平行な第２の方向に延在する第２の配線と、
前記第１の配線と前記第２の配線との間に挟持され、前記第１の配線と前記第２の配線とを介して供給される電流により、第１の状態と第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、
を備え、
前記記録層は、前記第１及び前記第２の方向に対して平行な断面が前記第２の配線に近づくにつれて大きくなる逆テーパ形状を有することを特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項２】
前記第１の配線と、前記記録層と、の間に設けられた整流素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の不揮発性記憶装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の配線の少なくともいずれかと、前記記録層と、の間に設けられ、前記少なくともいずれかと前記記録層との間の元素の拡散を抑制するバリア層をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置を前記第１及び第２の方向に対して垂直な第３の方向に複数積層してなることを特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項５】
前記第３の方向に隣接する請求項１〜３のいずれか１つに記載の前記不揮発性記憶装置の間で、前記第１の配線または前記第２の配線が共有されてなることを特徴とする請求項４記載の不揮発性記憶装置。
【請求項６】
前記記録層に電圧を印加して前記記録層を前記第１の状態と前記第２の状態との間で可逆的に遷移させる電圧印加部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
【請求項７】
前記電圧印加部は、前記記録層の記録単位に対して前記電圧を局所的に印加するためのプローブを含むことを特徴とする請求項６記載の不揮発性記憶装置。
【請求項８】
基板上に、
第１の方向に延在する第１の配線と、
前記第１の方向に非平行な第２の方向に延在する第２の配線と、
前記第１の配線と前記第２の配線との間に挟持され、前記第１の配線と前記第２の配線とを介して供給される電流により、第１の状態と第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、
を有し、
前記記録層は、前記第１及び第２の方向に対して並行な断面が、前記第２の配線に近づくにつれて大きくなる逆テーパ形状を有することを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法であって、
少なくとも、基板上に、前記第１の配線となる層と、前記記録層となる部分の第１のダミーマスクと、を、前記第１の方向及び前記第２の方向に対して略垂直な第３の方向に積層して積層体を形成する積層工程と、
前記積層体を前記第１の方向に延在する開口を有する第２のダミーマスクを介してエッチングする第１のエッチング工程と、
前記第１のエッチング工程により生じた空間に素子間絶縁層を埋め込む工程と、
前記素子間絶縁層となる材料が堆積した表面を平坦化して前記第１のダミーマスクを露出させる工程と、
少なくとも前記第１の配線となる層を除く前記積層体の一部を前記第２の方向に延在する開口を有する第３のダミーマスクを介してエッチングする第２のエッチング工程と、
前記第２のエッチング工程により生じた空間に素子間絶縁層を埋め込む工程と、
前記素子間絶縁層となる材料が堆積した表面を平坦化して前記第１のダミーマスクを露出させる工程と、
前記第１のダミーマスクを除去する工程と、
前記第１のダミーマスクの除去によって生じた前記素子間絶縁層の表面をエッチングする第３のエッチング工程と、
前記第１のダミーマスクを除去する工程及び前記第３のエッチング工程により生じた空間に前記記録層となる層を埋め込む記録層形成工程と、
を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法。
【請求項９】
前記積層工程において、
前記第１の配線となる層と、
元素の拡散を抑制するバリア機能を有する第１のバリア層となる層と、
整流素子となる層と、
元素の拡散を抑制するバリア機能を有する第２のバリア層となる層と、
前記第１のダミーマスクと、
をこの順序で前記第３の方向に積層して前記積層体を形成することを特徴とする請求項８記載の不揮発性記憶装置の製造方法。
【請求項１０】
前記記録層形成工程の後に、
前記記録層となる材料が堆積した表面を平坦化して前記素子間絶縁層を露出させる工程と、
前記記録層の表面を含む主面に前記第２の配線となる層を形成する工程と、
前記第２の配線となる層をエッチングして前記第２の方向に延在する第２の配線を形成する工程と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項８または９に記載の不揮発性記憶装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不揮発性記憶装置及びその製造方法に関し、より詳細には、第１の状態と第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層を備えた不揮発性記憶装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トランジスタを用いたＮＡＮＤ型の不揮発性記憶装置においては、装置の微細化に伴い、いわゆる短チャネル効果の影響により、デバイス動作が困難となってきている。「短チャネル効果」とは、装置の微細化によってソース部とドレイン部との距離が近くなることによって生じる現象であり、具体例にはソースとドレインとの間に生じるリーク電流の増加等である。このため、トランジスタを用いた記憶装置に代わる記憶装置が求められており、その一つとして、遷移金属絶縁膜等に電界パルスを印加することで物質の抵抗が変化する特性を利用した不揮発性記憶装置（抵抗変化型メモリ、ＲｅＲＡＭ）が検討されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
抵抗変化型メモリは、抵抗変化膜に電界パルスを印加することによって高抵抗状態と低抵抗状態との間を可逆的に変化させ、この特性を利用して情報を書き換え可能なように、かつ、電源を切っても情報が消えないように記憶する装置である。抵抗変化膜の高抵抗及び低抵抗の状態がそれぞれ安定であるため、不揮発性を実現することができる。抵抗変化型メモリは記憶部にトランジスタを用いないため、上述した短チャネル効果の問題がない。
【０００４】
現在、ビット線とワード線とが交叉する部分に抵抗変化素子を配置したクロスポイント型の抵抗変化型メモリが検討されている。これによれば、セル面積を理論上ＮＡＮＤ型不揮発性記憶装置と同じ４Ｆ２（「Ｆ」は、設計ルール（最小設計寸法））とすることができる。また、抵抗変化型メモリは、複数の記録部を積層することができるため集積度をさらに上げることができるという利点を有する。
【０００５】
ここで、抵抗変化膜は、動作時、特に情報消去時におけるジュール熱により整流素子等の素子が損傷を受ける可能性がある。この結果、動作特性が劣化する可能性がある。
【特許文献１】特開２００７−２２０７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、良好な動作特性を有するとともに加工が容易な不揮発性記憶装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、基板上に、第１の方向に延在する第１の配線と、前記第１の方向に非平行な第２の方向に延在する第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との間に挟持され、前記第１の配線と前記第２の配線とを介して供給される電流により、第１の状態と第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、を備え、前記記録層は、前記第１及び前記第２の方向に対して平行な断面が前記第２の配線に近づくにつれて大きくなる逆テーパ形状を有することを特徴とする不揮発性記憶装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の他の一態様によれば、基板上に、第１の方向に延在する第１の配線と、前記第１の方向に非平行な第２の方向に延在する第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との間に挟持され、前記第１の配線と前記第２の配線とを介して供給される電流により、第１の状態と第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、を有し、前記記録層は、前記第１及び第２の方向に対して並行な断面が、前記第２の配線に近づくにつれて大きくなる逆テーパ形状を有することを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法であって、少なくとも、基板上に、前記第１の配線となる層と、前記記録層となる部分の第１のダミーマスクと、を、前記第１の方向及び前記第２の方向に対して略垂直な第３の方向に積層して積層体を形成する積層工程と、前記積層体を前記第１の方向に延在する開口を有する第２のダミーマスクを介してエッチングする第１のエッチング工程と、前記第１のエッチング工程により生じた空間に素子間絶縁層を埋め込む工程と、前記素子間絶縁層となる材料が堆積した表面を平坦化して前記第１のダミーマスクを露出させる工程と、少なくとも前記第１の配線となる層を除く前記積層体の一部を前記第２の方向に延在する開口を有する第３のダミーマスクを介してエッチングする第２のエッチング工程と、前記第２のエッチング工程により生じた空間に素子間絶縁層を埋め込む工程と、前記素子間絶縁層となる材料が堆積した表面を平坦化して前記第１のダミーマスクを露出させる工程と、前記第２のダミーマスクを除去する工程と、前記第１のダミーマスクの除去によって生じた前記素子間絶縁層の表面をエッチングする第３のエッチング工程と、前記第１のダミーマスクを除去する工程及び前記第３のエッチング工程により生じた空間に前記記録層となる層を埋め込む記録層形成工程と、を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、良好な動作特性を有するとともに加工が容易な不揮発性記憶装置及びその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。  
まず、本発明の実施形態に係る不揮発性記憶装置の一例（具体例１）について、図１〜図４を参照しつつ説明する。
【００１１】
図１は、具体例１に係る不揮発性記憶装置２の模式図である。図１（ａ）は、不揮発性記憶装置２の模式斜視図であり、図１（ｂ）は、不揮発性記憶装置２の模式回路図である。  
また、図２は、不揮発性記憶装置２の模式断面図である。図２（ａ）は、不揮発性記憶装置２を第１の方向（Ｘ軸方向）から見た模式断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。  
また、図３は、不揮発性記憶装置２の模式平面図である。
【００１２】
図１に表したように、不揮発性記憶装置２は、基板１０と、基板１０の主面上に設けられ、第１の方向（Ｘ軸方向）に延在する第１の配線２０（ビット線ＢＬ）と、第１の方向と非平行な（交叉する）第２の方向（Ｙ軸方向）に延在する第２の配線７０（ワード線ＷＬ）と、第１の配線２０と第２の配線７０との間に挟持され、第１の配線２０と第２の配線７０とを介して供給される電流により、第１の状態と第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層６０と、を備える。また、第１の配線２０と記録層６０との間に、これらによって挟持される整流素子４０を備えてもよい。ここで、「主面」とは、第１の方向及び第２の方向に対して平行な面（図１において、ＸＹ面）をいう。
【００１３】
ここで、記録層６０は、第１及び第２の方向に対して平行な断面が第２の配線７０に近づくにつれて大きくなる「逆テーパ形状」を有する。図１〜図３では、記録層６０の主面上の断面は、第２の配線７０に近づくにつれて大きくなっている。
【００１４】
なお、本実施形態では、「逆テーパ形状」は、記録層６０のいずれか１つまたは複数の側面がＺ軸に対して傾斜している形状を含むものとする。図１〜図３では、記録層６０は、Ｘ軸方向に交叉する面とＹ軸方向に交叉する面との両方がＺ軸方向に対して傾斜している形状を有しているが、例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のいずれか１方向に交叉する面のみがＺ軸方向に対して傾斜している形状であってもよい。
【００１５】
また、Ｚ軸方向に隣接するいずれか２つの構成要素（第１の配線２０、第２の配線７０、記録層６０、及び整流素子４０）の間には、これら２つの構成要素を構成する材料の元素の拡散を防止するバリア層が設けられていてもよい。図２では、第１の配線２０と整流素子４０の間にバリア層３０が、また、整流素子４０と記録層６０の間にバリア層５０が、それぞれ設けられている。ここで、「Ｚ軸方向」とは、第１の方向（Ｘ軸方向）及び第２の方向（Ｙ軸方向）に対して略垂直な第３の方向であり、例えば上下方向になる。
【００１６】
配線Ｌ（第１の配線２０及び第２の配線７０）には、導電性を有する材料を用いることができ、さらに耐熱性を有する材料を用いることができる。具体的には、例えば、タングステン、ケイ化タングステン、窒化タングステン等が挙げられる。
【００１７】
整流素子４０は、整流特性を有し、記録層６０に印加される電圧の極性に方向性を持たせるために設けられる。整流素子４０には、例えば、ＰＩＮ（ｐ型半導体／真性半導体／ｎ型半導体）ダイオード、ツェナーダイオード、ＰＮ接合ダイオード、ショットキーダイオード、ＭＩＭ（金属／絶縁体／金属）キャパシタ（コンデンサ）等を用いることができる。ダイオードの基盤材料としては、例えば多結晶シリコンが挙げられる。図１では、整流素子４０が、ビット線ＢＬと電極層６０との間に設けられている具体例を表したが、整流素子４０は、ワード線ＷＬと電極層６０との間に設けられてもよい。また、整流素子４０は、ビット線ＢＬとワード線ＷＬとが対向する領域以外の領域に設けてもよい。
【００１８】
記録層６０については、後に詳述する。  
バリア層の材料としては、例えば、チタン等の金属や、窒化チタン等の金属窒化物が挙げられる。  
１つの第１の配線２０と１つの第２の配線７０とが交叉する領域に設けられた１つの記録部（記録層６０、整流素子４０等）が１つの記録用単位要素であり、これを「セル」という。
【００１９】
第１の配線２０と第２の配線７０とに与える電位の組合せによって、各記録層６０に印加される電圧が変化し、その時の記録層６０の特性（例えば、抵抗値）によって、情報を記録したり消去したりすることができる。なお、各セルの間には、図２に表したように素子間絶縁層８０が設けられている。
【００２０】
また、セルの位置を基準として配線Ｌ（第１の配線２０及び第２の配線７０、ビット線ＢＬ及びワード線ＷＬ）の配線延在方向外側には、図示しないコンタクトプラグが取り付けられている。コンタクトプラグは、データの書込み及び読出しを行うための読出し／書込み回路等の周辺回路と接続している（図示せず）。記録層６０には、コンタクトプラグ及び配線Ｌを通じて電流が流され、これにより記録層６０の書込みや消去等の各種動作を行うことが可能となる。
【００２１】
このように、不揮発性記憶装置２は、ビット線ＢＬとワード線ＷＬとが交叉する部分に記録部が設けられた、いわゆるクロスポイント型不揮発性記憶装置（メモリ）である。  
なお、上記の１層型の不揮発性記憶装置２は、Ｚ軸方向に複数積層してもよく（いわゆる「多層型不揮発性記憶装置」）、これも具体例１に係る不揮発性記憶装置２に含まれる。以下、１層からなる不揮発性記憶装置２を「単位装置２Ａ」と呼ぶことがある。  
また、図１では、主面において第１の配線２０及び第２の配線７０がそれぞれ４本設けられており、セルは１６設けられているが、これらは別の数だけ設けられていてもよい。
【００２２】
また、具体例１では、第１の配線２０を「ビット線ＢＬ」、第２の配線７０を「ワード線ＷＬ」として用いているが、逆に、第１の配線２０を「ワード線ＷＬ」、第２の配線７０を「ビット線ＢＬ」として用いてもよい。  
また、不揮発性記憶装置２が多層型不揮発性記憶装置である場合、上下方向に隣接する単位装置２Ａ間で第１の配線２０または第２の配線７０が共有されていてもよく、共有されていなくてもよい。また、不揮発性記憶装置２の上下方向の両端においては、同種配線（２つのビット線ＢＬまたは２つのワード線ＷＬ）が配置されてもよく、異種配線（ビット線ＢＬ及びワード線ＷＬ）が配置されてもよい。
【００２３】
次に、セルの構成について、図４を参照しつつ説明する。  
図４は、セルの構成の一例を表す模式断面図である。  
図４では、図２に表した構成要素の他、バリア層６２，ヒータ層６４、及びバリア層６６がさらに設けられている。
【００２４】
記録層６０の両側に設けられるバリア層５０、６２は、記録層６０に対して電気的な接続を得るために設けられる「電極層」の機能を併有してもよい。  
また、リセット（消去）動作において記録層６０の加熱を効率よく行うために、記録層６０の陰極側（ここでは、ワード線ＷＬ側）に、ヒータ層６４を設けてもよい。この場合、ヒータ層６４とワード線ＷＬとの間にバリア層６６を設けてもよい。
【００２５】
次に、記録層６０について説明する。  
前述したように、本具体例に係る不揮発性記憶装置２は、第１の配線２０と第２の配線７０とに与える電位の組合せによって、各記録層６０に印加される電圧が変化し、その時の記録層６０の特性（例えば、抵抗値）によって、情報を記録したり消去したりすることができる。このため、記録層６０には、印加される電圧によって特性が変化する任意の材料を用いることができる。例えば、抵抗値が可逆的に遷移可能な可変抵抗層や、印加される電圧によって結晶状態と非晶質状態との間で可逆的に遷移可能な相変化層などが挙げられる。
【００２６】
このような材料の具体例としては、例えば、金属酸化物が挙げられる。具体的には、例えば、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、トリウム（Ｔｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、あるいは、ランタン（Ｌａ）からルテチウム（Ｌｕ）までのいわゆる希土類元素などの酸化物が挙げられる。また、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等も挙げられる。
【００２７】
また、複合酸化物として、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）及びチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）の他、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、ビスマス酸化鉄（ＢｉＦｅＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、バナジウム酸ナトリウム（Ｎａ３ＶＯ４）、バナジウム酸鉄（ＦｅＶＯ３）、チタン酸バナジウム（ＴｉＶＯ３）、クロム酸バナジウム（ＣｒＶＯ３）、バナジウム酸ニッケル（ＮｉＶＯ３）、バナジウム酸マグネシウム（ＭｇＶＯ３）、バナジウム酸カルシウム（ＣａＶＯ３）、バナジウム酸ランタン（ＬａＶＯ３）、モリブデン酸バナジウム（ＶＭｏＯ５）、モリブデン酸バナジウム（Ｖ２ＭｏＯ８）、バナジウム酸リチウム（ＬｉＶ２Ｏ５）、珪酸マグネシウム（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、珪酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ３）、チタン酸ジルコニウム（ＺｒＴｉＯ４）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、マグネシウム酸鉛（ＰｂＭｇＯ３）、ニオブ酸鉛（ＰｂＮｂＯ３）、ホウ酸バリウム（ＢａＢ２Ｏ４）、クロム酸ランタン（ＬａＣｒＯ３）、チタン酸リチウム（ＬｉＴｉ２Ｏ４）、銅酸ランタン（ＬａＣｕＯ４）、チタン酸亜鉛（ＺｎＴｉＯ３）、タングステン酸カルシウム（ＣａＷＯ４）等が薄膜形成可能となる。
【００２８】
また、カルコゲナイド系の可変抵抗材料も挙げられる。カルコゲナイドとは、Ｓｅ、Ｔｅ等の１６族元素を含む化合物の総称であり、１６族元素がカルコゲンと呼ばれることに由来する。このカルコゲナイド系材料は、電圧を印加することによって結晶状態と非晶質状態との間で変化する、可変抵抗材料の一種である。
【００２９】
そして、記録層６０は、その主面上の断面が第２の配線７０に近づくにつれて大きくなる逆テーパ形状を有する。これにより、後述するように、良好な動作特性を有するとともに加工が容易な不揮発性記憶装置が提供される。また、記録層６０で発生する熱を良好に放出し、整流素子４０等の構成部材の損傷が抑制されるとともに、配線Ｌの形成が容易になる。
【００３０】
次に、メモリセルの記録、再生、及び消去動作を実行する場合について説明する。  
記録（セット動作）は、選択されたメモリセルに電圧を印加し、そのメモリセル内に電位勾配を発生させて電流パルスを流せばよい。例えば、ワード線ＷＬの電位がビット線ＢＬの電位よりも相対的に低い状態を作る。例えば、ビット線ＢＬを接地電位とすれば、ワード線ＷＬに負の電位を与えればよい。選択されたメモリセルは、抵抗変化や相変化等により電子伝導性を有するようになるため、記録（セット動作）が完了する。
【００３１】
記録のための電流パルスは、ワード線ＷＬの電位がビット線ＢＬの電位よりも相対的に高い状態を作ることにより発生させてもよい。
【００３２】
再生に関しては、電流パルスを選択されたメモリセルに流し、そのメモリセルの抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、メモリセルを構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とすることが必要である。  
消去（リセット）動作に関しては、選択されたメモリセルを大電流パルスによりジュール加熱して、そのメモリセルの抵抗状態を元に戻せばよい。
【００３３】
（本実施形態に係る不揮発性記憶装置の効果）
次に、本実施形態の効果について、図５〜図７を参照しつつ説明する。  
本実施形態に係る不揮発性記憶装置２は、（１）記録層６０の形成を容易ならしめる、という効果を有する。この他、（２）記録層６０で発生する熱を良好に放出し、整流素子４０等の構成部材の損傷を抑制する、及び（３）配線Ｌの形成を容易ならしめる、という効果も有する。
【００３４】
まず、（１）記録層６０の形成を容易ならしめる、という効果について、図５を参照しつつ説明する。  
記録層６０の形成方法としては、一般には、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）等のエッチングが挙げられる。この場合、記録層６０となる層を主面上に一様に形成した後、第１の方向や第２の方向に延在する開口を有するダミーマスクを介してエッチングを行う。ここで、記録層６０には前述したように様々な材料を用いることができるところ、例えば遷移金属化合物等の硬度が高い材料を用いた場合には、エッチングを良好に実施することが困難となる場合があり得る。すなわち、エッチング対象材料の硬度が高い場合、エッチングダメージが生じ、これにより記録層６０、整流素子４０等の素子部材が損傷を受けるおそれがある。これにより、動作特性（スイッチング特性）の劣化及び素子間でのばらつき等を招来する可能性がある。
【００３５】
このため、本実施形態では、記録層６０の形成に、後述するようにダマシン法を用いることとしている。ダマシン法とは、素子部材パターン形成方法の一つで、まず基板等に溝を形成し、ここに素子部材の材料を埋め込んだ後に、表面を平坦加工して素子部材パターンを形成する手法である。ダマシン法においては、エッチングダメージが生じないことから、素子部材の損傷を抑制することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、記録層６０を埋め込む前段階で、逆テーパ形状を有する埋込み対象空間を形成することにより、記録層６０がさらに良好に形成され得る。以下、これについて説明する。
【００３７】
図５は、本実施形態における、記録層６０の形成容易性の効果について説明する模式断面図である。  
図５（ａ）は、比較例に係る不揮発性記憶装置の記録層６０近傍を表す模式断面図である。
【００３８】
図５（ａ）に表したように、比較例に係る不揮発性記憶装置では、記録層６０の主面上の断面積は、第１の配線２０側から第２の配線７０側に至るまで略同一であり、セルを構成する他の素子（整流素子４０、バリア層５０等）と略同一である。すなわち、比較例に係る不揮発性記憶装置では、記録層６０の材料を埋め込む領域が略四角柱状の形状をしており、側面と底面とのなす角は略９０度である。この場合、記録層６０の材料を埋め込む際に空隙６０ｖが形成されるおそれがあるなど、記録層６０を良好に埋め込むことが相対的に難しい。この結果、記録層６０とバリア層５０等との間の電気的接続を十全に得ることが困難となり、良好な動作特性が発揮されないおそれがある。
【００３９】
一方、図５（ｂ）は、具体例１に係る不揮発性記憶装置２の記録層６０近傍を表す模式断面図である。  
図５（ｂ）に表したように、具体例１に係る不揮発性記憶装置２では、記録層６０の材料を埋め込む領域は、第２の配線７０側に拡開する逆テーパ形状を有しており、底角は９０度より大きい。このため、記録層６０の材料を埋め込む際に空隙が生じる可能性が相対的に低く、比較例に比べて記録層６０を良好に埋め込むことができる。このため、本実施形態によれば、記録層６０とバリア層５０等との間の電気的接続を十全に得ることができ、良好な動作特性が確保される。
【００４０】
以上から、本実施形態によれば、記録層６０の形成にダマシン法を用いることにより、遷移金属酸化物等の硬度の高い材料からなる記録層６０を、エッチングダメージ等による損傷を回避しつつ形成することができる。また、記録層６０を埋め込む前段階で、逆テーパ形状を有する埋込み対象空間を形成することにより、空隙等の生成を抑制して記録層６０を良好に埋め込むことができる。
【００４１】
このため、スイッチング特性の劣化及び素子間でのばらつきが抑制され良好な動作特性を有するとともに、加工が容易な不揮発性記憶装置が提供される。本実施形態は、記録層６０に硬度の高い材料を用いた場合に特に有効である。
【００４２】
次に、（２）記録層６０で発生する熱を良好に放出し、整流素子４０等の構成部材の損傷を抑制する、という効果について、図６を参照しつつ説明する。  
前述したように、記録層６０は、電圧を印加したりジュール熱を加えたりすることによって、抵抗状態等の特性が変化する。ここで、これら動作時（電圧印加時やジュール加熱時。特に、後者）に発生する熱により、整流素子４０などの、他の構成部材が損傷を受ける可能性がある。このため、記録層６０で発生した熱を速やかに放出することが求められる。
【００４３】
図６は、本実施形態における放熱効果について説明する模式断面図である。  
図６（ａ）は、本実施形態と対比される比較例に係る不揮発性記憶装置の記録層６０近傍を表す模式断面図である。この不揮発性記憶装置は、図５に関して前述した不揮発性記憶装置と同じであり、記録層６０の主面上の断面積は、全て、整流素子４０、バリア層５０等と略同一である。
【００４４】
この場合、記録層６０からの放熱は、記録層６０の側面からも行われる。しかし、この側面の面積は、本実施形態に係る記録層６０の側面の面積に比べて小さく、放熱効果は相対的に小さい。
【００４５】
一方、図６（ｂ）は、本実施形態（具体例１）に係る不揮発性記憶装置２の記録層６０近傍を表す模式断面図である。  
図６（ｂ）に表したように、具体例１に係る不揮発性記憶装置２では、記録層６０は、その主面上の断面が第２の配線７０に近づくにつれて大きくなる逆テーパ形状を有する。この場合も、記録層６０からの放熱は、比較例と同様に記録層６０の側面からも行われるが、この記録層６０の側面の面積は、比較例に係る記録層６０の側面の面積に比べて大きい。このため、放熱効果は相対的に大きい。
【００４６】
また、第２の配線７０の配置態様に工夫を加えることにより、放熱効果をさらに向上させることができる。すなわち、具体例１に係る記録層６０では、第２の配線７０側の主面の面積が相対的に大きいため、第２の配線７０の配置マージンを広くとることができる。このため、主面上における第２の配線７０の幅を小さくすることができる。この結果、記録層６０からの放熱は、記録層６０の、第２の配線７０側主面からも行うことが可能となる。これにより、放熱効果はさらに向上する。
【００４７】
従って、本実施形態によれば、放熱のための装置を別途設けることなく、動作時に発生する熱を効果的に記録層６０から放出することができ、整流素子４０等の熱による損傷を抑制することができる。
【００４８】
次に、（３）配線Ｌの形成を容易ならしめる、という効果について、図７を参照しつつ説明する。  
図７は、本実施形態における、配線Ｌの形成容易性の効果について説明する模式断面図である。  
図７（ａ）は、比較例に係る不揮発性記憶装置の記録層６０近傍を表す模式断面図である。
【００４９】
図７（ａ）に表したように、比較例に係る記録層６０では、第２の配線７０側の主面の面積が相対的に小さいため、第２の配線７０の配置マージンが相対的に狭い。Ｘ軸方向において、第２の配線７０は、幅Ｌ１の間に形成される必要がある。
【００５０】
一方、図７（ｂ）は、具体例１に係る不揮発性記憶装置２の記録層６０近傍を表す模式断面図である。  
図７（ｂ）に表したように、具体例１に係る記録層６０では、第２の配線７０側の主面の面積が相対的に大きいため、第２の配線７０の配置マージンが相対的に広い。Ｘ軸方向において、第２の配線７０は、幅Ｌ２（＞Ｌ１）の間に形成されればよい。  
このため、本実施形態によれば、配線Ｌの形成が容易になる。
【００５１】
以上から、本実施形態によれば、スイッチング特性の劣化及び素子間でのばらつきが抑制され良好な動作特性を有するとともに、加工が容易な不揮発性記憶装置が提供される。本実施形態は、記録層６０に硬度の高い材料を用いた場合に特に有効である。  
また、記録層６０が逆テーパ形状を有するため、記録層６０で発生する熱が良好に放出され、整流素子４０等の構成部材の損傷が抑制されるとともに、配線Ｌの形成が容易になる。
【００５２】
（不揮発性記憶装置の製造方法）
次に、不揮発性記憶装置２の製造方法について説明する。  
本実施形態に係る不揮発性記憶装置２の製造方法は、第１の配線２０となる層と、記録層６０となる部分の第１のダミーマスク９０と、を第３の方向に積層して積層体を形成する積層工程と、前記積層体を第１の方向に延在する開口を有する第２のダミーマスク（図示せず）を介してエッチングする第１のエッチング工程と、第１のエッチング工程により生じた空間に素子間絶縁層８０を埋め込む工程と、素子間絶縁層８０となる材料が堆積した表面を平坦化して第１のダミーマスク９０を露出させる工程と、少なくとも第１の配線２０となる層を除く前記積層体の構成要素を第２の方向に延在する開口を有する第３のダミーマスク（図示せず）を介してエッチングする第２のエッチング工程と、第２のエッチング工程により生じた空間に素子間絶縁層８０を埋め込む工程と、素子間絶縁層８０となる材料が堆積した表面を平坦化して第１のダミーマスク９０を露出させる工程と、第１のダミーマスク９０を除去する工程と、第１のダミーマスク９０の除去によって生じた素子間絶縁層８０の表面をエッチングする第３のエッチング工程と、第１のダミーマスク９０を除去する工程及び第３のエッチング工程により生じた空間に記録層６０となる層を埋め込む記録層形成工程と、を備える。
【００５３】
また、積層工程における前記積層体は、第１の配線２０となる層と、バリア層３０となる層と、整流素子４０となる層と、バリア層５０となる層と、第１のダミーマスク９０と、をこの順序で第３の方向に積層してなるものであってよい。
【００５４】
また、記録層形成工程の後に、記録層６０となる材料が堆積した表面を平坦化して素子間絶縁層８０を露出させる工程と、記録層６０の表面を含む主面に第２の配線７０となる層を形成する工程と、第２の配線７０となる層をエッチングして第２の方向に延在する第２の配線７０を形成する工程と、をさらに備えてよい。
【００５５】
以下、製造方法の一例（製造方法例１）について、図８〜図１０を参照しつつ説明する。  
図８〜図１０は、製造方法例１を表す模式工程断面図である。本製造方法例では、周辺回路を作製した後の配線形成工程において、図２に関して前述した具体例１に係るクロスポイント型の不揮発性記憶装置２を作製する。記録層６０は、ダマシン法を用いて形成する。
【００５６】
まず、図８（ａ）に表したように、基板１０の上に、第１の配線２０（ビット線）、バリア層３０、整流素子４０、バリア層５０、及び第１のダミーマスク９０の層を、下からこの順番で形成する。形成方法としては、例えばスパッタリングが挙げられる。
【００５７】
第１の配線２０の材料としては、例えばタングステンが挙げられる。整流素子４０としては、例えばＰＩＮダイオードやＭＩＭキャパシタ（コンデンサ）が挙げられる。なお、整流素子４０にＭＩＭキャパシタを用いた場合、記録層６０と第２の配線７０との界面での抵抗変化が印加電圧の向きに依存する、いわゆるバイポーラ型の記憶装置とすることができる。バリア層３０、５０の材料としては、例えば、チタンや窒化チタンが挙げられる。第１のダミーマスク９０の材料としては、例えば、窒化ケイ素が挙げられる。
【００５８】
次に、図８（ｂ）に表したように、Ｘ軸方向に延在する開口を有する第２のダミーマスク（図示せず）を介して加工体にエッチング加工を行う。エッチングは、基板１０と第１の配線２０との界面深さまで行う。また、エッチングは、ドライエッチングでもウエットエッチングでもよい。ドライエッチングの場合、高アスペクト比が得られるという利点がある。また、ウェットエッチングの場合、加工費用が低減されるという利点がある。
【００５９】
次に、図８（ｃ）に表したように、エッチングにより生じた空間（空間９２）に、素子間絶縁層８０を埋め込む。素子間絶縁層８０の形成方法としては、例えば、ポリシラザン塗布、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相堆積）、熱ＣＶＤ等が挙げられる。その後、加工体上面（加工体の主面）の平坦化を行い、第１のダミーマスク９０を露出させる。平坦化方法としては、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）が挙げられる。
【００６０】
次に、図９（ａ）を参照しつつ説明する。図９（ａ）は、図８（ｃ）のＡ−Ａ線断面図である。  
図９（ａ）に表したように、Ｙ軸方向に延在する開口を有する第３のダミーマスク（図示せず）を介して加工体のエッチング加工を行う。エッチングは、第１の配線２０とバリア層３０との界面深さまで行う。エッチングの種類については、前述した通りである。
【００６１】
次に、図９（ｂ）に表したように、エッチングにより生じた空間（空間９４）に、素子間絶縁層８０を埋め込む。素子間絶縁層８０の形成方法は、前述した通りである。その後、加工体上面（加工体の主面）をＣＭＰ等により平坦化し、第１のダミーマスク９０を露出させる。
【００６２】
次に、図９（ｃ）に表したように、熱リン酸等を用いて第１のダミーマスク９０を除去する。
次に、図１０（ａ）に表したように、第１のダミーマスク９０の除去によって生じた素子間絶縁層８０の表面（図９（ｃ）の、表面８２）をエッチングして、素子間絶縁層８０の上部を丸める。エッチングは、等方性に優れたウェットエッチングであってよい。この結果、第１のダミーマスク９０の除去及び素子間絶縁層８０の丸め加工により生じた空間（空間９６）が形成される。
【００６３】
次に、図１０（ｂ）に表したように、空間９６に、記録層６０となる層を埋め込む。ここで、空間９６は逆テーパ形状を有するため、空隙を生じさせることなく、記録層６０の材料を良好に埋め込むことができる。記録層６０の材料としては、例えば遷移金属酸化物が挙げられる。その後、加工体上面（加工体の主面）をＣＭＰ等により平坦化し、素子間絶縁層８０を露出させる。
【００６４】
次に、図１０（ｃ）に表したように、記録層６０の上に、第２の配線７０（ワード線）を形成する。第２の配線７０の形成方法としては、例えば、加工体上面（加工体の主面）に第２の配線７０の層を一様に形成し、その後第２の配線７０の層をＹ軸方向に延在する開口を有する第４のダミーマスク（図示せず）を介してエッチングすることが挙げられる。第２の配線７０の材料としては、例えばタングステンが挙げられる。  
以上の工程により、不揮発性記憶装置２が作製される。多層型不揮発性記憶装置を作製する場合には、上記の手順を繰り返せばよい。
【００６５】
（本実施形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法の効果）
本実施形態に係る製造方法では、記録層６０の形成にダマシン法を用いることにより、遷移金属酸化物等の硬度の高い材料からなる記録層６０を、エッチングダメージ等による損傷を回避しつつ形成することができる。また、第１のダミーマスク９０を用いつつ素子間絶縁層８０を形成し、その後第１のダミーマスク９０を除去して、さらにその後素子間絶縁層８０の表面を丸めて逆テーパ形状の空間９６を形成することにより、空隙等の生成を抑制して記録層６０を良好に埋め込むことができる。
【００６６】
このため、本実施形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法によれば、スイッチング特性の劣化及び素子間でのばらつきが抑制され良好な動作特性を有するとともに、加工が容易な不揮発性記憶装置が提供される。本実施形態は、記録層６０に硬度の高い材料を用いた場合に特に有効である。
【００６７】
また、記録層６０が逆テーパ形状を有するため、前述した、（２）記録層６０で発生する熱を良好に放出し、整流素子４０等の構成部材の損傷を抑制する、及び（３）配線Ｌの形成を容易ならしめる、の効果も得られる。
【００６８】
（応用例）
以下、本実施形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法の応用例について説明する。  
本実施形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法を、プローブメモリに適用した場合について説明する。
【００６９】
（プローブメモリ）
まず、プローブメモリに適用した場合について説明する。  
図１１及び図１２は、本実施形態に係るプローブメモリを表す模式図である。  
このプローブメモリは、記録層に電圧を印加して記録層を第１の状態と第２の状態との間で可逆的に変換させる電圧印加部を備えている。また、電圧印加部は、記録層の記録単位に対して電圧を局所的に印加するためのプローブを含んでいる。
【００７０】
ＸＹスキャナー１６０上には、図１〜図４に関して前述した記録部が設けられた記録媒体が配置される。この記録媒体に対向する形で、プローブアレイが配置される。
【００７１】
プローブアレイは、基板２３０と、基板２３０の一面側にアレイ状に配置される複数のプローブ（ヘッド）２４０と、を有する。複数のプローブ２４０の各々は、例えば、カンチレバーから構成され、マルチプレクスドライバ２５０，２６０により駆動される。  
複数のプローブ２４０は、それぞれ、基板２３０内のマイクロアクチュエータを用いて個別に動作可能であるが、ここでは、全てをまとめて同じ動作をさせて記録媒体のデータエリアに対するアクセスを行う例を説明する。
【００７２】
まず、マルチプレクスドライバ２５０，２６０を用いて、全てのプローブ２４０をＸ方向に一定周期で往復動作させ、記録媒体のサーボエリアからＹ方向の位置情報を読み出す。Ｙ方向の位置情報は、ドライバ１５０に転送される。  
ドライバ１５０は、この位置情報に基づいてＸＹスキャナー１６０を駆動し、記録媒体をＹ方向に移動させ、記録媒体とプローブとの位置決めを行う。  
両者の位置決めが完了したら、データエリア上のプローブ２４０の全てに対して、同時、かつ、連続的に、データの読み出しまたは書き込みを行う。
【００７３】
データの読み出し及び書き込みは、プローブ２４０がＸ方向に往復動作していることから連続的に行われる。また、データの読み出し及び書き込みは、記録媒体のＹ方向の位置を順次変えることにより、データエリアに対して、一行ずつ、実施される。  
なお、記録媒体をＸ方向に一定周期で往復運動させて記録媒体から位置情報を読み出し、プローブ２４０をＹ方向に移動させるようにしてもよい。
【００７４】
記録媒体は、例えば、基板２００と、基板２００上の電極層２１０と、電極層２１０上の記録層２２０とから構成される。  
記録層２２０は、複数のデータエリア、並びに、複数のデータエリアのＸ方向の両端にそれぞれ配置されるサーボエリアを有する。複数のデータエリアは、記録層２２０の主要部を占める。
【００７５】
サーボエリア内には、サーボバースト信号が記録される。サーボバースト信号は、データエリア内のＹ方向の位置情報を示している。  
記録層２２０内には、これらの情報の他に、さらに、アドレスデータが記録されるアドレスエリア及び同期をとるためのプリアンブルエリアが配置される。  
データ及びサーボバースト信号は、記録ビット（電気抵抗変動）として記録層２２０に記録される。記録ビットの“１”，“０”情報は、記録層２２０の電気抵抗を検出することにより読み出す。
【００７６】
本例では、１つのデータエリアに対応して１つのプローブ（ヘッド）が設けられ、１つのサーボエリアに対して１つのプローブが設けられる。  
データエリアは、複数のトラックから構成される。アドレスエリアから読み出されるアドレス信号によりデータエリアのトラックが特定される。また、サーボエリアから読み出されるサーボバースト信号は、プローブ２４０をトラックの中心に移動させ、記録ビットの読み取り誤差をなくすためのものである。  
ここで、Ｘ方向をダウントラック方向、Ｙ方向をトラック方向に対応させることにより、ＨＤＤのヘッド位置制御技術を利用することが可能になる。
【００７７】
次に、このプローブメモリの記録／再生動作について説明する。  
図１３は、記録（セット動作）時の状態を説明するための概念図である。  
記録媒体は、基板（例えば、半導体チップ）２００の上に一様に設けられた電極層２１０と、電極層２１０の上に設けられた複数のセル状の記録層２２０及び電極層１３０と、複数のセルの間に設けられた素子間絶縁層７００と、電極層１３０及び素子間絶縁層７００の上に設けられたコンタクト電極層１３０Ｃと、コンタクト電極層１３０Ｃの上に設けられた保護層１３０Ｂとから構成されるものとする。保護層１３０Ｂは、例えば、薄い絶縁体から構成される。
【００７８】
記録動作は、記録層２２０表面に電圧を印加し、記録層２２０に電位勾配を発生させることにより行う。具体的には、電流／電圧パルスを記録層２２０に与えればよい。  
再生に関しては、電流パルスを記録層２２０に流し、記録層２２０の抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、記録層２２０を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とする。
【００７９】
例えば、センスアンプＳ／Ａにより発生した読み出し電流（電流パルス）をプローブ２４０から記録層２２０に流し、センスアンプＳ／Ａにより記録層２２０の抵抗値を測定する。  
なお、再生では、記録媒体上をプローブ２４０により走査（スキャン）することで、連続再生が可能となる。
【００８０】
消去（リセット）動作に関しては、記録層２２０を大電流パルスによりジュール加熱して、記録層２２０の抵抗状態を元に戻せばよい。あるいは、セット動作時とは逆向きの電位差を与えるパルスを印加してもよい。  
消去動作は、セルごとに行うことができ、複数のセルをまとめて行うこともできる。
【００８１】
ここで、記録層２２０は、本実施形態に係る製造方法を用いて作製される。これにより、遷移金属酸化物等の硬度の高い材料からなる記録層２２０を、エッチングダメージ等による損傷を回避しつつダマシン法により形成することができる。また、ダミーマスク（図示せず）を用いつつ素子間絶縁層７００を形成し、その後ダミーマスクを除去して、さらにその後素子間絶縁層７００の表面を丸めることにより、空隙等の生成を抑制して記録層２２０を良好に埋め込むことができる。
【００８２】
このため、本実施形態によれば、スイッチング特性の劣化及び素子間でのばらつきが抑制され良好な動作特性を有するとともに、加工が容易な不揮発性記憶装置及びその製造方法が提供される。本実施形態は、記録層２２０に硬度の高い材料を用いた場合に特に有効である。
【００８３】
また、記録層２２０が逆テーパ形状を有するため、前述した、（２）記録層２２０で発生する熱を良好に放出し、他の構成部材の損傷を抑制する、及び（３）配線Ｌの形成を容易ならしめる、の効果も得られる。
【００８４】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。  
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】具体例１に係る不揮発性記憶装置２の模式図である。
【図２】不揮発性記憶装置２の模式断面図である。
【図３】不揮発性記憶装置２の模式平面図である。
【図４】セルの構成の一例を表す模式断面図である。
【図５】本実施形態における、記録層６０の形成容易性の効果について説明する模式断面図である。
【図６】本実施形態における放熱効果について説明する模式断面図である。
【図７】本実施形態における、配線Ｌの形成容易性の効果について説明する模式断面図である。
【図８】製造方法例１を表す模式工程断面図である。
【図９】製造方法例１を表す模式工程断面図である。
【図１０】製造方法例１を表す模式工程断面図である。
【図１１】本実施形態に係るプローブメモリを表す模式図である。
【図１２】本実施形態に係るプローブメモリを表す模式図である。
【図１３】記録（セット動作）時の状態を説明するための概念図である。
【符号の説明】
【００８６】
２  不揮発性記憶装置、１０  基板、２０  第１の配線、３０  バリア層、４０  整流素子、５０  バリア層、６０  記録層、６０ｖ  空隙、６２  バリア層、６４  ヒータ層、６６  バリア層、７０  第２の配線、８０  素子間絶縁層、８２  表面、９０  第１のダミーマスク、９２  空間、９４  空間、９６  空間、１３０  電極層、１３０Ｂ  保護層、１３０Ｃ  コンタクト電極層、１５０  ドライバ、１６０  ＸＹスキャナー、２００  基板、２１０  電極層、２２０  記録層、２３０  基板、２４０  プローブ、２５０，２６０  マルチプレクスドライバ、７００  素子間絶縁層、ＢＬ  ビット線、Ｌ１  幅、Ｌ２  幅、ＷＬ  ワード線
【図１】
2010080518.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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