(57)【要約】  本発明は、二つの信号電極と、該信号電極間を連結する金属架橋の形成・消滅を行うスイッチ動作をコントロールする制御電極を有する、「３端子スイッチ」構成の金属架橋型スイッチング素子を多層銅配線中に集積する際、「２端子スイッチ」と比較し、スイッチ動作に必要な電流を大幅に低減できる利点を最大限に生かすとともに、良好な制御性でスイッチ動作を行うことができ、信号電極間を連結する金属架橋の形成・消滅を行うことが可能な、新規な構造の「３端子スイッチ」を提供する。本発明では、「３端子スイッチ」を構成する、信号電極として、金属膜の側面やプラグの側面を利用し、該電極として機能する側面を、曲率を有する形状とし、信号電極とイオン伝導層との接触面積を低減し、該曲率を有する部位への電界集中を促進する結果、安定動作に優れた省電力スイッチが実現できる。
2014050198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子であって、
該抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕプラグならびに第１のＣｕ配線と電気的に接続されている、第１の金属膜の側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線と電気的に接続されている、第２の金属膜の側壁部であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、前記第１の金属膜と前記第２の金属膜との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１の金属膜の側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２の金属膜の側壁部からなる第２電極は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接している
ことを特徴とするスイッチング素子。
【請求項２】
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層中に供給する、第３電極を具えており、
前記第３電極は、前記多層配線層を構成する第３のＣｕ配線で構成されており、
前記第３のＣｕ配線に前記イオン伝導層が接し、金属イオンの供給がなされる部位は、前記第３のＣｕ配線の上面に選択されており、
前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極を電位Ｖ1に、第２電極を電位Ｖ2に、前記第３電極を電位Ｖ3にそれぞれバイアスし、前記第２電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ2−Ｖ1｜に対して、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を、｜Ｖ3−Ｖ2｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜、｜Ｖ3−Ｖ1｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜と設定することにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子。
【請求項３】
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子であって、
該抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕプラグならびに第１のＣｕ配線と電気的に接続されている、第１の金属膜の側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記第１の金属膜と第２のＣｕ配線との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１の金属膜の側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２のＣｕ配線は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接しており；
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層中に供給する、第３電極をさらに具えており、
前記第３電極は、前記多層配線層を構成する第３のＣｕ配線で構成されており、
前記第３のＣｕ配線に前記イオン伝導層が接し、金属イオンの供給がなされる部位は、前記第３のＣｕ配線の上面に選択されており、
前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極を電位Ｖ1に、第２電極を電位Ｖ2に、前記第３電極を電位Ｖ3にそれぞれバイアスし、前記第２電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ2−Ｖ1｜に対して、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を、｜Ｖ3−Ｖ2｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜、｜Ｖ3−Ｖ1｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜と設定することにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される
ことを特徴とするスイッチング素子。
【請求項４】
少なくとも、前記イオン伝導層に接している、前記第１の金属膜の側壁部は、凸型の曲率を有している
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
【請求項５】
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子であって、
該抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕ配線と電気的に接続されている第１のＣｕプラグの底部と側壁面を被覆するバリアメタルの側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記第１のＣｕプラグの底部と側壁面を被覆するバリアメタルの底面と第２のＣｕ配線との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１のＣｕプラグの底部と側壁面を被覆するバリアメタルの側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２のＣｕ配線は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接しており；
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層中に供給する、第３電極をさらに具えており、
前記第３電極は、前記多層配線層を構成する第３のＣｕ配線で構成されており、
前記第３のＣｕ配線に前記イオン伝導層が接し、金属イオンの供給がなされる部位は、前記第３のＣｕ配線の上面に選択されており、
前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極を電位Ｖ1に、第２電極を電位Ｖ2に、前記第３電極を電位Ｖ3にそれぞれバイアスし、前記第２電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ2−Ｖ1｜に対して、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を、｜Ｖ3−Ｖ2｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜、｜Ｖ3−Ｖ1｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜と設定することにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される
ことを特徴とするスイッチング素子。
【請求項６】
前記イオン伝導層の上面が、前記金属イオンを遮断するイオンバリア層で覆われている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
【請求項７】
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子を具えてなる半導体装置であって、
前記抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕプラグならびに第１のＣｕ配線と電気的に接続されている、第１の金属膜の側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線と電気的に接続されている、第２の金属膜の側壁部であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、前記第１の金属膜と前記第２の金属膜との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１の金属膜の側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２の金属膜の側壁部からなる第２電極は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接しており、
前記イオン伝導層の上面は、前記金属イオンを遮断するイオンバリア層で覆われている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層中に供給する、第３電極を具えており、
前記第３電極は、前記多層配線層を構成する第３のＣｕ配線で構成されており、
前記第３のＣｕ配線に前記イオン伝導層が接し、金属イオンの供給がなされる部位は、前記第３のＣｕ配線の上面に選択されており、
前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極を電位Ｖ1に、第２電極を電位Ｖ2に、前記第３電極を電位Ｖ3にそれぞれバイアスし、前記第２電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ2−Ｖ1｜に対して、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を、｜Ｖ3−Ｖ2｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜、｜Ｖ3−Ｖ1｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜と設定することにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される
ことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子を具えてなる半導体装置であって、
前記抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕプラグもしくはＣｕ配線と電気的に接続されている、第１の金属膜の側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記第１の金属膜と第２のＣｕ配線との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１の金属膜の側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２のＣｕ配線は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接しており；
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層中に供給する、第３電極をさらに具えており、
前記第３電極は、前記多層配線層を構成する第３のＣｕ配線で構成されており、
前記第３のＣｕ配線に前記イオン伝導層が接し、金属イオンの供給がなされる部位は、前記第３のＣｕ配線の上面に選択されており、
前記イオン伝導層の上面は、前記金属イオンを遮断するイオンバリア層で覆われており；
前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極を電位Ｖ1に、第２電極を電位Ｖ2に、前記第３電極を電位Ｖ3にそれぞれバイアスし、前記第２電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ2−Ｖ1｜に対して、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を、｜Ｖ3−Ｖ2｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜、｜Ｖ3−Ｖ1｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜と設定することにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子を具えてなる半導体装置であって、
前記抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕ配線と電気的に接続されている第１のＣｕプラグの底部と側壁面を被覆するバリアメタルの側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記第１のＣｕプラグの底部と側壁面を被覆するバリアメタルの底面と第２のＣｕ配線との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１のＣｕプラグの底部と側壁面を被覆するバリアメタルの側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２のＣｕ配線は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接しており；
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層中に供給する、第３電極をさらに具えており、
前記第３電極は、前記多層配線層を構成する第３のＣｕ配線で構成されており、
前記第３のＣｕ配線に前記イオン伝導層が接し、金属イオンの供給がなされる部位は、前記第３のＣｕ配線の上面に選択されており、
前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極を電位Ｖ1に、第２電極を電位Ｖ2に、前記第３電極を電位Ｖ3にそれぞれバイアスし、前記第２電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ2−Ｖ1｜に対して、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を、｜Ｖ3−Ｖ2｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜、｜Ｖ3−Ｖ1｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜と設定することにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される
ことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング素子およびスイッチング素子の製造方法に関する。本発明は、抵抗変化型不揮発性スイッチング素子、特に、プログラマブルロジックおよびメモリ等の電子デバイスの構成に利用可能な、金属架橋型スイッチング素子と、該金属架橋型スイッチング素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プログラマブルロジックの機能を多様化し、電子機器などへの実装を推進して行くためには、ロジックセル間を相互に結線するスイッチング素子のサイズを小さくし、同時に、そのオン抵抗を小さくすることが必要となる。金属架橋型スイッチング素子は、従来の半導体スイッチよりもサイズが小さく、オン抵抗が小さいことが知られている。金属架橋型スイッチング素子には、特許文献１に開示される「２端子スイッチ」と、非特許文献１に開示される「３端子スイッチ」とがある。「２端子スイッチ」は、金属架橋の形成に使用される、金属イオンを供給する「第１電極」と、金属イオンを供給しない「第２電極」で、イオン伝導層を挟んだ構造を有している。例えば、図１５に示すように、「第２電極」を接地して、「第１電極」に正電圧を印加すると、「第１電極」とイオン伝導層の界面では、「第１電極」の金属が金属イオンになってイオン伝導層に溶解する。一方、「第２電極」側では、「第２電極」から供給される電子を利用して、イオン伝導層中の金属イオンがイオン伝導層中に金属になって析出する。イオン伝導層中に析出した金属により、金属架橋構造が形成され、最終的に、「第１電極」と「第２電極」を接続する金属架橋が形成される。その後、形成された金属架橋は、「第２電極」を接地して、「第１電極」に負電圧を印加すると、金属架橋を構成する金属が金属イオンになってイオン伝導層に溶解する。一方、「第１電極」側では、「第１電極」から供給される電子を利用して、イオン伝導層中の金属イオンがイオン伝導層中に金属になって、「第１電極」の表面に析出する。最終的に、「第１電極」と「第２電極」を接続する金属架橋が消滅する。両電極間は、イオン伝導層中での金属架橋の形成・消滅によって、スイッチングする。「２端子スイッチ」は、構造が単純であるため、作製プロセスが簡便であり、素子サイズをナノメートルオーダーまで小さく加工可能である。【０００３】
最先端の半導体装置の配線材料は主に銅で構成されており、銅配線内に、抵抗変化型不揮発性スイッチング素子を効率的に形成する手法が望まれている。電気化学反応を利用する、金属架橋型スイッチング素子の半導体装置への集積化する技術について、非特許文献２に開示されている。非特許文献２には、半導体基板上の銅配線と、金属架橋型スイッチング素子の「第１電極」を兼用する技術が開示されている。非特許文献２に開示される構造を採用すれば、「第１電極」を新たに形成するための工程が削減できる。そのため、「第１電極」を作製するためのマスクは不要となり、金属架橋型スイッチング素子を作製するために追加すべきフォトマスク（ＰＲ）数は、イオン伝導層の作製、「第２電極」の作製に要する２枚とできる。【０００４】
しかし、信号の伝達とスイッチングの制御を同じ端子で行う「２端子スイッチ」では、ＯＮ／ＯＦＦ時、金属架橋の形成・消滅に要する数１００μＡオーダーの電流が、信号端子（「第１電極」と「第２電極」）を流れる。【０００５】
非特許文献１は、信号の伝達に利用する２つの端子に加えて、ＯＮ／ＯＦＦ時、金属架橋の形成・消滅をコントロールする「第３電極」を設けた「３端子スイッチ」を開示している。非特許文献１に開示する「３端子スイッチ」は、信号の伝達経路中、ＦＥＴのソースを「第１電極」とし、ソースと「第２電極」との間を連結する、金属架橋の形成・消滅を行うことにより、スイッチの書き込みおよび消去を行う。その際、「第３電極」から、イオン伝導層中に、金属架橋の形成に使用する金属イオンの供給がなされ、また、金属架橋の消滅に伴って、溶出される金属イオンは、「第３電極」の表面で金属に還元され、回収される。一方、ソースと「第２電極」の表面に析出する金属によって、ソースと「第２電極」を連結する、金属架橋の形成により、信号の伝達に利用する２つの端子（ソースと「第２電極」）間の「２端子スイッチ」がＯＮ状態となる。逆に、ソースと「第２電極」の表面に析出している金属を溶出させる結果、金属架橋の消滅により、信号の伝達に利用する２つの端子（ソースと「第２電極」）間の「２端子スイッチ」がＯＦＦ状態となる。【０００６】
該「３端子スイッチ」では、金属架橋の形成・消滅の際、「第３電極」を流れる電流Ｉ3は、ソースを流れる電流Ｉ1と「第２電極」を流れる電流Ｉ2に分割される（Ｉ3＝Ｉ1＋Ｉ2）。従って、信号の伝達とスイッチングの制御を同じ端子で行う「２端子スイッチ」と比較すると、ＯＮ／ＯＦＦ時、金属架橋の形成・消滅をコントロールする「第３電極」を設けた「３端子スイッチ」では、信号の伝達に利用する２つの端子（ソースと「第２電極」）を流れる電流を大幅に低減できる。【０００７】
非特許文献１に開示する「３端子スイッチ」では、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移する過程では、例えば、ソースと「第２電極」を接地し、「第３電極」を正電圧を印加すると、「第３電極」とイオン伝導層の界面では、「第３電極」の金属が金属イオンになってイオン伝導層に溶解する。一方、ソースと「第２電極」の表面では、ソースと「第２電極」から供給される電子を利用して、イオン伝導層中の金属イオンがソースと「第２電極」の表面上に金属になって析出する。析出する金属によって、ソースと「第２電極」の間に金属架橋の形成がなされる。【０００８】
逆に、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に遷移する過程では、例えば、ソースと「第２電極」を接地し、「第３電極」に負電圧を印加すると、金属架橋を構成している金属が、金属イオンになってイオン伝導層に溶解する。一方、「第３電極」とイオン伝導層の界面では、「第３電極」から供給される電子を利用して、イオン伝導層中の金属イオンが「第３電極」の表面上に金属になって析出する（回収される）。金属架橋を構成している金属の溶解の結果、金属架橋の切断、消滅が進行する。【０００９】
特許文献２は、「３端子スイッチ」を、例えば、図１６に模式的に示す構成、すなわち、「第３電極」として、金属イオンを供給可能な、銅からなる電極を利用し、「第１電極」と「第２電極」として、金属イオンを供給しない、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮ、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属やその窒化物からなる電極を利用して構成する事例を開示している。また、特許文献２中には、「３端子スイッチ」を銅配線中に集積する形態も開示されている。【００１０】
非特許文献３には、「第１電極」と「第２電極」として、側壁電極を採用する「３端子スイッチ」が開示されている。その際、金属イオンを供給する「第３電極」は、側壁電極に接するイオン伝導層を覆うように形成されている。従って、金属イオンを供給する「第３電極」として、銅からなる電極、例えば、銅配線や銅プラグを利用する場合、該銅配線や銅プラグから、イオン伝導層への銅イオンの供給を妨げるバリアメタルによる、銅配線、銅プラグの側壁面、底面の被覆を排する必要がある。バリアメタルによる、銅配線、銅プラグの側壁面、底面の被覆を排すると、銅配線、銅プラグの側壁面、底面から、例えば、ＳｉＯ2で形成される層間絶縁膜中への銅の拡散が進行する。長期間動作する間に、この層間絶縁膜中への銅の拡散に起因して、隣接する銅配線間が、「Ｃｕデンドライト」によって短絡する故障が発生する。【００１１】
非特許文献３に開示される構成、特に、金属イオンを供給する「第３電極」をイオン伝導層を覆うように形成する形態の「３端子スイッチ」を、多層配線中への集積化に対する工夫は、非特許文献３には示唆されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】国際公開第２０００／４８１９６号
【特許文献２】特開２０１１−２１１１６５号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】ＩＥＩＣＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ  ＯＮ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  （アイ・イー・アイ・シー・イー・トランズアクション・オン・エレクトロニクス）、Ｅ８９−Ｃ巻、１４９２〜１４９８ページ、２００６年
【非特許文献２】ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ  ＯＮ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＤＥＶＩＣＥＳ（アイ・イー・イー・イー  トランズアクション  オン  エレクトロン  デバイス）、５７巻、１９８７ページ〜１９９５ページ、２０１０年
【非特許文献３】ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ（アプライド  フィジックス  エクスプレス）、４巻、０１５２０４−１ページ〜０１５２０４−３ページ、２０１１年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
「３端子スイッチ」は、「２端子スイッチ」と比較し、下記の利点を有している。【００１５】
まず、「３端子スイッチ」では、信号の伝達に使用する、信号端子（第１電極と第２電極）と、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作時、そのスイッチングの制御に使用する制御端子（第３電極）を分離している。第１電極と第２電極に対して、第３電極にスイッチング電圧を印加することで、第１電極と第２電極の表面において、金属の析出、逆に、金属の溶解を行い、ＯＮ／ＯＦＦ状態間の書き換えを行っている。従って、「３端子スイッチ」では、金属架橋の形成・消滅の際、「第３電極」を流れる電流Ｉ3は、「第１電極」を流れる電流Ｉ1と「第２電極」を流れる電流Ｉ2に分割される（Ｉ3＝Ｉ1＋Ｉ2）。「第１電極」を流れる電流Ｉ1と「第２電極」を流れる電流Ｉ2は、それぞれ、「第１電極」上に析出される金属量Ｍ1と「第２電極」上に析出される金属量Ｍ2に依存している。【００１６】
一方、「２端子スイッチ」では、金属架橋の形成・消滅の際、「第１電極」を流れる電流Ｉ1'と「第２電極」を流れる電流Ｉ2'は等しく（Ｉ1'＝Ｉ2'）、その電流量は、「第２電極」上に析出される金属量に依存している。【００１７】
従って、「３端子スイッチ」では、金属架橋の形成（消滅）時に「第１電極」を流れる電流Ｉ1と「第２電極」を流れる電流Ｉ2は、「２端子スイッチ」において、金属架橋の形成（消滅）時に「第１電極」を流れる電流Ｉ1'と「第２電極」を流れる電流Ｉ2'と比較して、大幅に低減することが可能である。【００１８】
「３端子スイッチ」を銅配線中へ集積する際、下記の３つの条件を満たすことが望ましいことを、本発明者らは見出した。【００１９】
第１に、「３端子スイッチ」を銅配線中へ集積し、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作を良好に制御するためには、イオン伝導層と「第１電極」の接触面積Ｓ1と、イオン伝導層と「第２電極」の接触面積Ｓ2をできるだけ小さくすることで、平均電流密度Ｉ1／Ｓ1と平均電流密度Ｉ2／Ｓ2を高くし、再現性良く、第１電極と第２電極の間に金属架橋を形成する必要がある。【００２０】
第２に、「３端子スイッチ」を銅配線中へ集積する場合には、銅配線プロセスの工程数削減のため、「３端子スイッチ」を構成する、「第１電極」、「第２電極」、「第３電極」に関して、可能なかぎり、Ｃｕ配線およびＣｕプラグで代用する構成を採用することが望まれる。第３に、代用できない電極については、金属膜をエッチング加工して、電極を作製する際、エッチング加工の回数が少なく、かつ、エッチング加工が容易な構造を採用することが望ましい。【００２１】
従来の「３端子スイッチ」の構造は、銅配線中に作製する際、上述する３つの条件を全て満足するものでなく、その結果、スイッチング電圧のバラツキ、あるいは、スイッチング素子の作製に伴う、銅配線プロセスの工程数の増加は、半導体装置全体の製造コストの増大を招いていた。【００２２】
換言すると、「３端子スイッチ」を銅配線中へ集積を進める際、上述の３つの条件を満たす構成を採用する「３端子スイッチ」の提案が望まれる。【００２３】
本発明は、上述する課題を解決するものである。本発明の目的は、既存の銅配線プロセスを利用して、多層配線層中に集積することが可能であり、安定に書き換え可能で、低コストで作製することができる、新規な構造の金属架橋型スイッチング素子、その作製方法。ならびに、多層配線層中に該金属架橋型スイッチング素子を設けている半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するための本発明の金属架橋型スイッチング素子は、
多層配線を構成するＣｕプラグもしくはＣｕ配線と電気的に接続した金属膜の側壁部である第１の電極と、
前記第１電極とは異なるＣｕプラグに電気的に接続した金属膜の側壁部である第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に挟まれた絶縁膜と、
電界によってイオン化した金属が移動可能なイオン伝導層が、前記第１電極と前記第２電極の側面に接しており、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層に供給する少なくとも一つの第３の電極を有し、該第３の電極が多層配線を形成するＣｕ配線で構成されていることを特徴としている。
（作用）
まず、従来の３端子スイッチと同じく、信号電極とスイッチング制御電極が分離されているため、スイッチング時に流れる電流は金属析出に必要な、ｎＡオーダーのイオン電流のみであり、μＡオーダー以上の電流が流れない。【００２５】
また、信号電極を構成する第１の電極と第２の電極は、金属膜の側壁であり、小面積であるため、電界が集中し易い。そのため、金属架橋の形成箇所は限定され、安定な３端子スイッチング動作が実現できる。この電界集中により、スイッチング動作時の動作電圧および動作電流のバラツキを低減できる。【００２６】
さらに、本発明の３端子スイッチング素子は、第１電極と第２電極がＣｕプラグまたはＣｕ配線に接続されているため、Ｃｕ配線中への集積化が容易である。【００２７】
加えて、本発明にかかる金属架橋型スイッチング素子は、下記の第一の実施形態の「２端子スイッチ」の構成、ならびに、第二の実施形態の「３端子スイッチ」〜第四の実施形態の「３端子スイッチ」の構成を採用することができる。【００２８】
本発明の第一の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子は、
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子であって、
該抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕプラグならびに第１のＣｕ配線と電気的に接続されている、第１の金属膜の側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線と電気的に接続されている、第２の金属膜の側壁部であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、前記第１の金属膜と前記第２の金属膜との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１の金属膜の側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２の金属膜の側壁部からなる第２電極は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接している
ことを特徴とするスイッチング素子である。【００２９】
本発明の第二の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子は、
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子であって、
該抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕプラグならびに第１のＣｕ配線と電気的に接続されている、第１の金属膜の側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線と電気的に接続されている、第２の金属膜の側壁部であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、前記第１の金属膜と前記第２の金属膜との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１の金属膜の側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２の金属膜の側壁部からなる第２電極は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接しており；
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層中に供給する、第３電極を具えており、
前記第３電極は、前記多層配線層を構成する第３のＣｕ配線で構成されており、
前記第３のＣｕ配線に前記イオン伝導層が接し、金属イオンの供給がなされる部位は、前記第３のＣｕ配線の上面に選択されており、
前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極を電位Ｖ1に、第２電極を電位Ｖ2に、前記第３電極を電位Ｖ3にそれぞれバイアスし、前記第２電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ2−Ｖ1｜に対して、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を、｜Ｖ3−Ｖ2｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜、｜Ｖ3−Ｖ1｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜と設定することにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される
ことを特徴とするスイッチング素子である。【００３０】
例えば、前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極の電位Ｖ1と第２電極の電位Ｖ2を等電位にバイアスし、前記第３電極の電位Ｖ3を異なる電位にバイアスし、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を設けることにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される。【００３１】
本発明の第三の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子は、
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子であって、
該抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕプラグならびに第１のＣｕ配線と電気的に接続されている、第１の金属膜の側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記第１の金属膜と第２のＣｕ配線との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１の金属膜の側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２のＣｕ配線は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接しており；
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層中に供給する、第３電極をさらに具えており、
前記第３電極は、前記多層配線層を構成する第３のＣｕ配線で構成されており、
前記第３のＣｕ配線に前記イオン伝導層が接し、金属イオンの供給がなされる部位は、前記第３のＣｕ配線の上面に選択されており、
前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極を電位Ｖ1に、第２電極を電位Ｖ2に、前記第３電極を電位Ｖ3にそれぞれバイアスし、前記第２電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ2−Ｖ1｜に対して、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を、｜Ｖ3−Ｖ2｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜、｜Ｖ3−Ｖ1｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜と設定することにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される
ことを特徴とするスイッチング素子である。【００３２】
例えば、前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極の電位Ｖ1と第２電極の電位Ｖ2を等電位にバイアスし、前記第３電極の電位Ｖ3を異なる電位にバイアスし、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を設けることにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される。【００３３】
なお、本発明の第一の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子、第二の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子、第三の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子では、
少なくとも、前記イオン伝導層に接している、前記第１の金属膜の側壁部は、凸型の曲率を有していることが好ましい。【００３４】
本発明の第四の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子は、
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子であって、
該抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕ配線と電気的に接続されている第１のＣｕプラグの底部と側壁面を被覆するバリアメタルの側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記第１のＣｕプラグの底部と側壁面を被覆するバリアメタルの底面と第２のＣｕ配線との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１のＣｕプラグの底部と側壁面を被覆するバリアメタルの側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２のＣｕ配線は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接しており；
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層中に供給する、第３電極をさらに具えており、
前記第３電極は、前記多層配線層を構成する第３のＣｕ配線で構成されており、
前記第３のＣｕ配線に前記イオン伝導層が接し、金属イオンの供給がなされる部位は、前記第３のＣｕ配線の上面に選択されており、
前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極を電位Ｖ1に、第２電極を電位Ｖ2に、前記第３電極を電位Ｖ3にそれぞれバイアスし、前記第２電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ2−Ｖ1｜に対して、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を、｜Ｖ3−Ｖ2｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜、｜Ｖ3−Ｖ1｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜と設定することにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される
ことを特徴とするスイッチング素子である。【００３５】
例えば、前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極の電位Ｖ1と第２電極の電位Ｖ2を等電位にバイアスし、前記第３電極の電位Ｖ3を異なる電位にバイアスし、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を設けることにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される。【００３６】
本発明にかかる金属架橋型スイッチング素子においては、
前記イオン伝導層の上面が、前記金属イオンを遮断するイオンバリア層で覆われていることが望ましい。【００３７】
また、本発明にかかる金属架橋型スイッチング素子、特に、上記の第一の実施形態の「２端子スイッチ」の構成、ならびに、第二の実施形態の「３端子スイッチ」〜第四の実施形態の「３端子スイッチ」の構成を採用する半導体装置は、下記の構成とすることができる。【００３８】
本発明の第一の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子を採用する半導体装置は、
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子を具えてなる半導体装置であって、
前記抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕプラグならびに第１のＣｕ配線と電気的に接続されている、第１の金属膜の側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線と電気的に接続されている、第２の金属膜の側壁部であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、前記第１の金属膜と前記第２の金属膜との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１の金属膜の側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２の金属膜の側壁部からなる第２電極は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接しており、
前記イオン伝導層の上面は、前記金属イオンを遮断するイオンバリア層で覆われている
ことを特徴とする半導体装置である。【００３９】
例えば、前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極の電位Ｖ1と第２電極の電位Ｖ2を等電位にバイアスし、前記第３電極の電位Ｖ3を異なる電位にバイアスし、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を設けることにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される。【００４０】
本発明の第二の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子を採用する半導体装置は、
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子を具えてなる半導体装置であって、
前記抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕプラグならびに第１のＣｕ配線と電気的に接続されている、第１の金属膜の側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線と電気的に接続されている、第２の金属膜の側壁部であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、前記第１の金属膜と前記第２の金属膜との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１の金属膜の側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２の金属膜の側壁部からなる第２電極は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接しており、
前記イオン伝導層の上面は、前記金属イオンを遮断するイオンバリア層で覆われており；
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層中に供給する、第３電極を具えており、
前記第３電極は、前記多層配線層を構成する第３のＣｕ配線で構成されており、
前記第３のＣｕ配線に前記イオン伝導層が接し、金属イオンの供給がなされる部位は、前記第３のＣｕ配線の上面に選択されており、
前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極を電位Ｖ1に、第２電極を電位Ｖ2に、前記第３電極を電位Ｖ3にそれぞれバイアスし、前記第２電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ2−Ｖ1｜に対して、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を、｜Ｖ3−Ｖ2｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜、｜Ｖ3−Ｖ1｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜と設定することにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される
ことを特徴とする半導体装置である。【００４１】
例えば、前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極の電位Ｖ1と第２電極の電位Ｖ2を等電位にバイアスし、前記第３電極の電位Ｖ3を異なる電位にバイアスし、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を設けることにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される。【００４２】
本発明の第三の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子を採用する半導体装置は、
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子を具えてなる半導体装置であって、
前記抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕプラグもしくはＣｕ配線と電気的に接続されている、第１の金属膜の側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記第１の金属膜と第２のＣｕ配線との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１の金属膜の側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２のＣｕ配線は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接しており；
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層中に供給する、第３電極をさらに具えており、
前記第３電極は、前記多層配線層を構成する第３のＣｕ配線で構成されており、
前記第３のＣｕ配線に前記イオン伝導層が接し、金属イオンの供給がなされる部位は、前記第３のＣｕ配線の上面に選択されており、
前記イオン伝導層の上面は、前記金属イオンを遮断するイオンバリア層で覆われており；
前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極を電位Ｖ1に、第２電極を電位Ｖ2に、前記第３電極を電位Ｖ3にそれぞれバイアスし、前記第２電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ2−Ｖ1｜に対して、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を、｜Ｖ3−Ｖ2｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜、｜Ｖ3−Ｖ1｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜と設定することにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される
ことを特徴とする半導体装置である。【００４３】
例えば、前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極の電位Ｖ1と第２電極の電位Ｖ2を等電位にバイアスし、前記第３電極の電位Ｖ3を異なる電位にバイアスし、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を設けることにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される。【００４４】
本発明の第四の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子を採用する半導体装置は、
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子を具えてなる半導体装置であって、
前記抵抗変化型不揮発性スイッチング素子は、少なくとも、第１電極、第２電極と、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層を具え、
前記イオン伝導層は、前記第１電極と前記第２電極に接しており、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路となる、金属架橋の形成がなされることにより、該スイッチング素子はＯＮ状態となり、
前記第１電極と前記第２電極に接する、該イオン伝導層中において、前記金属架橋の溶解がなされ、前記第１電極と第２電極の間に信号の伝達経路が切断されることにより、該スイッチング素子はＯＦＦ状態となる、金属架橋型スイッチング素子を構成しており；
前記第１電極は、前記多層配線層を構成する第１のＣｕ配線と電気的に接続されている第１のＣｕプラグの底部と側壁面を被覆するバリアメタルの側壁部であり、
前記第２電極は、前記多層配線層を構成する第２のＣｕ配線であり、
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記第１のＣｕプラグの底部と側壁面を被覆するバリアメタルの底面と第２のＣｕ配線との間に挟まれた絶縁膜を具え、
前記第１のＣｕプラグの底部と側壁面を被覆するバリアメタルの側壁部からなる第１電極、前記絶縁膜の側壁部、前記第２のＣｕ配線は、積層構造を形成し、該積層構造の側面に、前記イオン伝導層が接しており；
前記金属架橋型スイッチング素子は、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層中に供給する、第３電極をさらに具えており、
前記第３電極は、前記多層配線層を構成する第３のＣｕ配線で構成されており、
前記第３のＣｕ配線に前記イオン伝導層が接し、金属イオンの供給がなされる部位は、前記第３のＣｕ配線の上面に選択されており、
前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極を電位Ｖ1に、第２電極を電位Ｖ2に、前記第３電極を電位Ｖ3にそれぞれバイアスし、前記第２電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ2−Ｖ1｜に対して、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を、｜Ｖ3−Ｖ2｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜、｜Ｖ3−Ｖ1｜＞｜Ｖ2−Ｖ1｜と設定することにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される
ことを特徴とする半導体装置である。【００４５】
例えば、前記金属架橋型スイッチング素子における、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のスイッチング動作は、前記第１電極の電位Ｖ1と第２電極の電位Ｖ2を等電位にバイアスし、前記第３電極の電位Ｖ3を異なる電位にバイアスし、前記第３電極と前記第１電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ1｜、前記第３電極と前記第２電極の間にバイアス差｜Ｖ3−Ｖ2｜を設けることにより、前記第１電極、第２電極と、前記第３電極の間に、スイッチング電圧を印加することにより実施される。
【発明の効果】
【００４６】
本発明に係る金属架橋型スイッチング素子の構造を採用することによって、ＬＳＩの多層配線層中へ該金属架橋型不揮発性スイッチ素子を容易に集積化できる。同時に、本発明に係る金属架橋型スイッチング素子は、金属架橋の形成・消滅による、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作に要する電流は、微小電流である。その結果、消費電力を大幅に抑えた、金属架橋型不揮発性スイッチング素子を使用して構成される、プログラマブルロジックが容易に実現できる。さらに、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作に要する電流は、微小電流であるため、該金属架橋型スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作用駆動回路に搭載するトランジスタのサイズを小さくでき、駆動回路を省面積化できる。【００４７】
また、本発明に係る金属架橋型スイッチング素子においては、「３端子スイッチ」を構成する、信号電極（第１電極と第２電極）とスイッチング制御電極（第１電極３）が、ＯＮ／ＯＦＦ動作の過程で、金属架橋で接続される事態が発生しないため、ＯＮ／ＯＦＦ動作の信頼性に優れた不揮発性スイッチング素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明の第一の実施形態にかかる２端子スイッチング素子の構成の一例を模式的に示す図である。
【図２】図２は、本発明の第一の実施形態にかかる、第一の実施態様の２端子スイッチング素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図３−１】図３−１は、本発明の第一の実施形態にかかる、第一の実施態様の２端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図であり、該製造工程中、工程１〜工程３を示す図である。
【図３−２】図３−２は、本発明の第一の実施形態にかかる、第一の実施態様の２端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図であり、該製造工程中、工程４〜工程８を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第二の実施形態にかかる３端子スイッチング素子の構成の一例を模式的に示す図である。
【図５】図５は、本発明の第二の実施形態にかかる、第一の実施態様の３端子スイッチング素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図６−１】図６−１は、本発明の第二の実施形態にかかる、第一の実施態様の３端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図であり、該製造工程中、工程１〜工程５を示す図である。
【図６−２】図６−２は、本発明の第二の実施形態にかかる、第一の実施態様の３端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図であり、該製造工程中、工程６〜工程１０を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第二の実施形態にかかる、第二の実施態様の３端子スイッチング素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図８−１】図８−１は、本発明の第二の実施形態にかかる、第二の実施態様の３端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図であり、該製造工程中、工程１〜工程３を示す図である。
【図８−２】図８−２は、本発明の第二の実施形態にかかる、第二の実施態様の３端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図であり、該製造工程中、工程４〜工程８を示す図である。
【図９】図９は、本発明の第三の実施形態にかかる３端子スイッチング素子の構成の一例を模式的に示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第三の実施形態にかかる、第一の実施態様の３端子スイッチング素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図１１−１】図１１−１は、本発明の第三の実施形態にかかる、第一の実施態様の３端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図であり、該製造工程中、工程１〜工程５を示す図である。
【図１１−２】図１１−２は、本発明の第三の実施形態にかかる、第一の実施態様の３端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図であり、該製造工程中、工程６〜工程８を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の第四の実施形態にかかる３端子スイッチング素子の構成の一例を模式的に示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の第四の実施形態にかかる、第一の実施態様の３端子スイッチング素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の第四の実施形態にかかる、第一の実施態様の３端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図であり、該製造工程を構成する工程１〜工程６を示す図である。
【図１５】図１５は、「２端子スイッチ」の構成を採用する、金属架橋型スイッチング素子におけるスイッチング過程を説明する図であり、上段は、「ＯＦＦ」状態から「ＯＮ」状態への遷移過程（セット過程）を、下段は、「ＯＮ」状態から「ＯＦＦ」状態への遷移過程（リセット過程）を、それぞれ説明する図である。
【図１６】図１６は、従来の「３端子スイッチ」の構成を採用する、金属架橋型スイッチング素子における、信号伝達に利用する、第１電極と第２電極と、スイッチング動作のコントーロールに利用する第３電極の配置の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
なお、図１〜図１４中に付される符号は、それぞれ、下記を意味する。【００５０】
０１０４、０２０４、０３０４、０４０４、０５０４、０６０４、０７０４、０８０４、０９０４、１００４、１１０４、１２０４、１３０４、１４０４    イオン伝導層
０１０１、０２０１、０３０１、０４０１、０５０１、０６０１、０７０１、０９０１、１００１、１１０１、１２０１、１３０１、１４０１    第１電極
０１０２、０２０２、０３０２、０４０２、０５０２、０６０２、０７０２、１００２、１１０２、１３０２、１４０２    第２電極
０１０５、０４０５、０９０５、１００９    金属架橋
０１０７、０２０７、０３０７    第１配線
０２１２、０３１２、０５１２、０６１２、０７１２、０８０２、０８１２、１０１２、１１１２、１３１２、１４１２    第２配線
０１０８、０２０８、０３０８、０４０８、０５０８、０６０８、０７０８、０８０８、０９０７、１００８、１１０８    第１金属膜
０１０９、０２０９、０３０９、０４０９、０５０９、０６０９、０７０９、０８０９    第２金属膜
０２０３、０２０５、０２１４、０２１７、０３０５、０３０３、０３１４、０３１７、０５０３、０５０５、０５１４、０５１７、０６０３、０６０５、０６１４、０６１７、０７０３、０７０５、０７１４、０７１７、０７２３、０８０５、０８０３、０８１４、０８１７、０８２３、１００５、１０１４、１０１５、１０１６、１０１７、１１０５、１１１４、１１１７、１３０５、１３１４、１３１７、１４０５、１４１４、１４１７    バリア絶縁膜
０１０６、０２０６、０３０６、０４０６、０５０６、０６０６、０７０６、０８０６、０９０６、１００６、１１０６、１２０６、１３０６、１４０６    プラグ
０２１０、０３１０    第１バリアメタル
０２１１、０３１１、０５１１、０６１１、０７１１、０８１１、１０１１、１１１１、１３１１、１４１１    第２バリアメタル
０１０３、０２１３、０２１５、０２１６、０３１５、０３１６、０４０３、０５１３、０５１５、０５１６、０６１３、０６１５、０６１６、０７１３、０７１５、０７１６、０８１３、０８１５、０８１６、０９０３、１０１３、１１１３、１１１５、１１１６、１２０３、１３１３、１３１５、１３１６、１４１３、１４１５、１４１６    層間絶縁膜
０２１８、０３２１、０３２２、０３１８、０５１８、０６１８、０６２５、０６２６、０６２７、０７１８、０８１８、０８２５、０８２６、０８２７、１０１８、１１０９、１１１８、０９２３、１４２０    ハードマスク
０２１９、０３１９、０５１９、０６１９、０７１９、０８１９、１０１９、１１１９、１３１９、１４１９    半導体基板
０２２０、０３２０    ２端子スイッチ
０５２０、０６２０、０７２０、０８２０、１０２０、１１２０、１３１８、１４１８    ３端子スイッチ
０２２１、０５２４、０７２４、１２０５、１３０９    金属架橋
０４０７、０５０７、０６０７、０７０７、０８０７、０９０２、１００７、１１０７、１２０２、１３０７、１４０７    第１配線Ａ
０４１０、０５２２、０６２２、０７２２、０８２２、０９０８、０９２２、１２０７、１３０３、１４０３    第１配線Ｂ
０５１０、０６１０、０７１０、０８１０、１０１０、１１１０、１３１０、１４１０    第１バリアメタルＡ
０５２１、０６２１、０７２１、０８２１、１０２１、０９２１、１３０８、１４０８    第１バリアメタルＢ
０５２３、０６２３、１００３、１１０３    保護絶縁膜
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下に、本発明をより詳しく説明する。【００５２】
本発明に係る金属架橋型スイッチング素子では、例えば、以下に説明する、第一の実施形態の「２端子スイッチ」の構成、ならびに、第二の実施形態の「３端子スイッチ」〜第四の実施形態の「３端子スイッチ」の構成を採用することができる。第一の実施形態の「２端子スイッチ」の構成、ならびに、第二の実施形態の「３端子スイッチ」〜第四の実施形態の「３端子スイッチ」の構成に関して、それぞれ、その特徴を以下に説明する。【００５３】
（第一の実施形態）
本発明に係る金属架橋型スイッチング素子における、第一の実施形態は、下に説明する「２端子スイッチ」の構成を採用する、金属架橋型スイッチング素子である。【００５４】
本発明の第一の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子で採用される、「２端子スイッチ」の構成を説明する。図１は、第一の実施形態の「２端子スイッチ」の構成の一例を模式的に示す断面図である。【００５５】
図１に示すように、第一の実施形態の「２端子スイッチ」は、プラグ０１０６に電気的に接続している第１金属膜０１０８と、第１配線０１０７に電気的に接続している第２金属膜０１０９と、第１金属膜０１０８と第２金属膜０１０９により挟まれ、両者を電気的に分離している、層間絶縁膜０１０３を具えている。【００５６】
第１金属膜０１０８、層間絶縁膜０１０３、第２金属膜０１０９からなる三層構造は、同じ平面形状にパターニングされており、該パターニングされた三層構造の側面には、第１金属膜０１０８の側壁面、層間絶縁膜０１０３の側壁面、第２金属膜０１０９の側壁面が露呈している。【００５７】
イオン伝導層０１０４は、該パターニングされた三層構造の側面の一部とのみ接触するように設けられている。第１金属膜０１０８の側壁面のうち、イオン伝導層０１０４と接触する部分が、第１電極０１０１として機能し、第２金属膜０１０９の側壁面のうち、イオン伝導層０１０４と接触する部分が、第２電極０１０２として機能する。また、イオン伝導層０１０４は、金属イオンが伝導するための媒体となる。従って、第１電極０１０１、イオン伝導層０１０４、第２電極０１０２を用いて、第一の実施形態の「２端子スイッチ」が構成されている。【００５８】
第２金属膜０１０９は、イオン伝導層０１０４に金属イオンを供給可能な金属で構成されている。前記金属イオンを供給可能な金属として、銅（Ｃｕ）を採用することが望ましい。【００５９】
第２金属膜０１０９の上面には、層間絶縁膜０１０３が形成されている。層間絶縁膜０１０３は、気相堆積が可能な絶縁材料であり、かつ、イオン伝導性を示さない絶縁材料、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いて、形成することができる。【００６０】
第１金属膜０１０８を構成する導電性材料には、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）が適しており、これらの積層を採用しても良い。特に、Ｒｕが好ましい。これらの導電性材料で構成される第１金属膜０１０８は。スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ法を用いて、層間絶縁膜０１０３の上面に形成する。【００６１】
第一の実施形態の「２端子スイッチ」が、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移する際、例えば、第１電極０１０１を接地し、第２電極０１０２に正電圧を印加すると、第２電極０１０２とイオン伝導層０１０４の界面では、第２電極０１０２からイオン伝導層０１０４へと金属イオン（例えば、銅イオン）が供給され、一方、第１電極０１０１とイオン伝導層０１０４の界面では、第１電極０１０１の側壁面に金属（例えば、銅）が析出する。該金属析出に起因する、金属架橋０１０５の形成は、第１電極０１０１の側壁面の下端から開始し、層間絶縁膜０１０３の側壁面に沿って、第２電極０１０２の側壁面の上端に向かって進行する。【００６２】
第一の実施形態の「２端子スイッチ」において、ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移が完了すると、金属架橋０１０５が、第１電極０１０１の下端と第２電極０１０２の上端を繋ぐように形成される。【００６３】
図１に示す第一の実施形態の「２端子スイッチ」の構成では、パターニングされた三層構造の平面形状は、円形であり、従って、第１金属膜０１０８および第２金属膜０１０９の平面形状は円形である。そのため、第１金属膜０１０８の側壁面からなる第１電極１０１及び第２金属膜０１０９の側壁面からなる第２電極０１０２も、同じ曲率を有する。【００６４】
イオン伝導層０１０４は、曲率を有する三層構造の側面に形成するため、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ法を用いて形成する。イオン伝導層０１０４の材料としては、金属イオンの伝導度の大きく、かつ、ＬＳＩ生産ラインにおいて、気相エッチング加工可能な材料を選択する必要がある。【００６５】
イオン伝導層０１０４の作製に利用可能な材料候補の一つは、カルコゲナイドのＧｅＳｂＴｅで、相変化素子において、相変化層の材料として使用される。曲率を有する三層構造の側面に、ＧｅＳｂＴｅからなるイオン伝導層０１０４を形成する手段として、ＧｅＳｂＴｅの焼結ターゲットを用いてスパッタ成膜する方法がある。具体的には、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5ターゲットを用いて、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5からなる膜の成膜を行う。【００６６】
イオン伝導層０１０４の作製に利用可能な材料候補の他の一つは、シリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系材料であり、プラズマＣＶＤ法によって形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料（環状有機シロキサン）蒸気の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。【００６７】
（スイッチング動作）
図１に示す第一の実施形態の「２端子スイッチ」における、ＯＮ／ＯＦＦ動作（スイッチング）時の駆動方法を説明する。【００６８】
（ａ）ＯＮ動作（ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移過程）
ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移時には、例えば、第２電極０１０２を接地して、第１電極０１０１に負電圧（−ＶON＜０Ｖ）を印加する。第２電極０１０２とイオン伝導層０１０４の界面では、印加される負電圧に起因する電界によって、金属がイオン化（酸化）され、生成する金属イオンがイオン伝導層０１０４中に供給される。供給される金属イオンは、イオン伝導層０１０４中の電界によって、第１電極０１０１側にマイグレーションする。マイグレーションした金属イオンは、第１電極０１０１からイオン伝導層０１０４中に注入される電子を受け取り、金属へと還元される。この電気化学反応によって、第１電極０１０１の表面（側壁面）の下端から、金属の析出が開始し、第１電極０１０１と第２電極０１０２の間の電気力線に従って、金属架橋０１０５の形成が進行する。第１電極０１０１側から形成される金属架橋０１０５が、第２電極０１０２の表面（側壁面）に達すると、第１電極０１０１と第２電極０１０２の間の抵抗値が低抵抗となり、ＯＮ状態となる。【００６９】
ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移時のバイアスは、第１電極０１０１を接地して、第２電極０１０２に正電圧（＋ＶON＞０Ｖ）を印加する形態でも良い。【００７０】
（ｂ）ＯＦＦ動作（ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移過程）
一方、ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移時には、例えば、第２電極０１０２を接地して、第１電極０１０１に正電圧（＋ＶOFF＞０Ｖ）を印加する。まず、第２電極０１０２側において、金属架橋０１０５を構成する金属のイオン化（酸化）と、イオン伝導層０１０４中への金属イオンの溶出が進行する（溶解反応）。イオン伝導層０１０４中に溶出した金属イオンは、イオン伝導層０１０４中に形成されている電界によって、第２電極０１０２の表面（側壁面）に向かってマイグレーションする。第２電極０１０２の表面（側壁面）から、イオン伝導層０１０４中へ注入される電子によって、金属イオンは還元される。生成する金属は、第２電極０１０２の表面（側壁面）に再析出する。金属架橋０１０５の溶解が進行し、第２電極０１０２の表面（側壁面）と金属架橋０１０５との電気的接続が途絶えると、第１電極０１０１と第２電極０１０２の間の抵抗値が高抵抗となり、ＯＦＦ状態となる。【００７１】
ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移時のバイアスは、第１電極０１０１を接地して、第２電極０１０２に負電圧（−ＶOFF＜０Ｖ）を印加する形態でも良い。【００７２】
図１に示す第一の実施形態の「２端子スイッチ」を構成する、第１電極０１０１と第２電極０１０２が曲率を有することで、ＯＮ／ＯＦＦ動作（スイッチング）時、第１電極０１０１と第２電極０１０２の間に印加されるスイッチング電圧によりイオン伝導層中に形成される電界は、この曲率部分に集中し、安定かつバラツキが小さいスイッチング動作が得られる。【００７３】
（第一の実施態様）
本発明の第一の実施形態にかかる、第一の実施態様の２端子スイッチング素子について説明する。【００７４】
該第一の実施態様の２端子スイッチング素子は、半導体装置に設ける多層配線層内部に形成されている。図２に、半導体装置に設ける多層配線層内部に形成されている、該第一の実施態様の２端子スイッチング素子の構造を示す。【００７５】
図２に示す半導体装置に設ける多層配線層は、第１金属膜０２０８と電気的に接続されているプラグ０２０６、該プラグ０２０６と一体に作製されている第２配線０２１２、ならびに、第２金属膜０２０９に接続された第１配線０２０７を備えている。第１金属膜０２０８と第２金属膜０２０９との間にバリア絶縁膜０２０３が挟まれており、第１金属膜０２０８、バリア絶縁膜０２０３、第２金属膜０２０９からなる三層構造は、ハードマスク０２１８をエッチングマスクとして利用し、エッチング加工を施すことで、同一の平面形状にパターニングされている。パターニングされた三層構造の側面には、第１金属膜０２０８の側壁部、バリア絶縁膜０２０３の側壁部、第２金属膜０２０９の側壁部が露呈している。【００７６】
パターニングされた三層構造の側面の一部は、イオン伝導層０２０４に接触しており、イオン伝導層０２０４と接触している第１金属膜０２０８の側壁部が、第１電極０２０１として使用され、イオン伝導層０２０４と接触している第２金属膜０２０９の側壁部が、第２電極０２０２として使用されている。【００７７】
２端子スイッチ０２２０は、第１電極０２０１、第２電極０２０２と、その側壁部と接触しているイオン伝導層０２０４により構成される。【００７８】
イオン伝導層０２０４と層間絶縁膜０２１５の間には、バリア絶縁膜０２１４が設けられており、該バリア絶縁膜０２１４を利用して、イオン伝導層０２０４から層間絶縁膜０２１５への金属イオンの拡散を防止している。また、イオン伝導層０２０４と層間絶縁膜０２１３の間には、バリア絶縁膜０２０５が設けられており、該バリア絶縁膜０２０５を利用して、イオン伝導層０２０４から層間絶縁膜０２１３への金属イオンの拡散を防止している。【００７９】
また、バリア絶縁膜０２０５は、層間絶縁膜０２１３の上面と、第１配線０２０７の上面を被覆しており、第１配線０２０７の上面部に開口部が形成され、この開口部を介して、第２金属膜０２０９と第１配線０２０７の上面部との電気的接続がなされている。従って、バリア絶縁膜０２０５は、第２金属膜０２０９と層間絶縁膜０２１３の上面との接触を防止し、第２金属膜０２０９を構成する金属の層間絶縁膜０２１３中への拡散を防止している。【００８０】
三層構造のエッチング加工に利用されたハードマスク０２１８は、第１金属膜０２０８の上面とイオン伝導層０２０４の接触を防止する役割を果たしている。ハードマスク０２１８に設ける開口を介して、プラグ０２０６と第１金属膜０２０８の上面部との電気的接続がなされている。【００８１】
２端子スイッチ０２２０の作製に利用される領域の外側では、半導体基板０２１９上に、層間絶縁膜０２１３、バリア絶縁膜０２０５、イオン伝導層０２０４、バリア絶縁膜０２１４、層間絶縁膜０２１５、層間絶縁膜０２１６、及びバリア絶縁膜０２１７が、この順に積層された、積層構造が形成されている。【００８２】
半導体基板０２１９上に形成されている、層間絶縁膜０２１３に設ける配線溝中に、第１バリアメタル０２１０を介して、第１配線０２０７は埋め込まれている。第１配線０２０７の底面と側壁面を被覆している、第１バリアメタル０２１０は、第１配線０２０７を構成する金属の層間絶縁膜０２１３中への拡散を防止している。【００８３】
多層配線層中、層間絶縁膜０２１６に形成された配線溝に第２配線０２１２が埋め込まれており、層間絶縁膜０２１５、バリア絶縁膜０２１４、イオン伝導層０２０４、及びハードマスク０２１８に形成された下穴（ビアホール）にプラグ０２０６が埋め込まれており、第２配線０２１２とプラグ０２０６は一体となっており、第２配線０２２０およびプラグ０２０６の側面及び底面が第２バリアメタル０２１１によって覆われている。【００８４】
図２に示す、２端子スイッチ０２２０は、抵抗変化型不揮発性スイッチング素子であり、特には、イオン伝導体中における金属イオン移動と電気化学反応とを利用し、金属架橋の形成・消滅を行う、金属架橋型スイッチング素子を構成している。２端子スイッチ０２２０は、開口されたバリア絶縁膜０２０５上に、エッチング加工された第２金属膜０２０９、バリア絶縁膜０２０５、第１金属膜０２０８、ハードマスク０２１８の積層構造が形成されている。バリア絶縁膜０２０５の上面、ならびに、前記積層構造の上面と側面を覆うように、イオン伝導層０２０４が形成されており、イオン伝導層０２０４の上にバリア絶縁膜０２１４が形成されている。【００８５】
２端子スイッチ０２２０では、第１電極０２０１を構成する第１金属膜０２０８が、第２配線０２２０とプラグ０２０６と、第２バリアメタル０２１１を介して電気的に接続されている。また、第２電極０２０２を構成する第２金属膜０２０９は、バリア絶縁膜０２０５に開口された開口部を介して、第１配線０２０７及び第１バリアメタル０２１０と電気的に接続されている。【００８６】
２端子スイッチ０２２０では、第２配線０２１２と第１配線０２０７の間に、スイッチング電圧の印加、あるいはスイッチング電流を流すことで、ＯＮ／ＯＦＦ状態の制御を行っている。例えば、第２電極０２２０の側壁面からイオン伝導層０２０４中へ金属イオンの供給、第１電極の側壁面から供給される電子による金属原子の析出、イオン伝導層０２０４中の金属イオンの電界拡散による、金属架橋に生成を行い、ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移動作（ＯＮ動作）の制御を行う。第１金属膜０２０８は、２層構造となっており、プラグ０２０６の底面と側面を被覆する第２バリアメタル０２１１と接する面（上層の表面）は、第２バリアメタル０２１１と同じ導電性材料を用いる。同じ導電性材料を使用する場合、下穴（ビアホール）の底部に露呈している第１金属膜０２０８の上層表面と、下穴（ビアホール）の側壁面を覆うように、第２バリアメタル０２１１を形成する際、第１金属膜０２０８の上層表面と第２バリアメタル０２１１との界面では、同じ導電性材料間で一体化し、接触抵抗の低減化が図られる。一体化に伴い、密着性も向上し、２端子スイッチ０２２０の信頼性の向上を実現することができる。【００８７】
半導体基板０２１９は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板０２１９には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。【００８８】
層間絶縁膜０２１３は、半導体基板０２１９上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜０２１３には、例えば、ＳｉＯ2、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。層間絶縁膜０２１３は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜０２１３には、第１配線０２０７を埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第１バリアメタル０２１０を介して第１配線０２０７が埋め込まれている。【００８９】
第１配線０２０７は、層間絶縁膜０２１３に形成された配線溝に第１バリアメタル０２１０を介して埋め込まれた配線である。第一の実施態様においては、第１配線０２０７は、Ｃｕで構成され、「銅配線」とされている。主成分をＣｕとし、Ａｌと合金化されていてもよい。第１配線０２０７は、第２電極０２０２を形成する第２金属膜０２０９と直接接している。【００９０】
第１バリアメタル０２１０は、第１配線０２０７を構成する金属（Ｃｕ）が層間絶縁膜０２１３や下層へ拡散することを防止するために、第１配線０２０７の側壁面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタル０２１０には、例えば、第１配線０２１０を、Ｃｕを主成分とする金属材料で形成する際、Ｃｕに対するバリア性を有する、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。【００９１】
バリア絶縁膜０２０５は、第１配線０２０７の表面、ならびに、層間絶縁膜０２１３上に形成されている。バリア絶縁膜０２０５により被覆することで、第１配線０２０５を構成する金属（例えば、Ｃｕ）の酸化を防止する。また、バリア絶縁膜０２０５は、イオン伝導層０２０４中に存在する金属イオン（Ｃｕイオン）の層間絶縁膜０２１３中への拡散を防ぐ役割を有する。加えて、バリア絶縁膜０２０５を設ける結果、第１配線０２０７の表面と、イオン伝導層０２０４との接触は遮断されており、２端子スイッチ０２２０にＯＮ操作のスイッチング電圧を印加する際、第１配線０２０５を構成する金属（例えば、Ｃｕ）がイオン化し、イオン伝導層０２０４中に供給される現象は生じない。バリア絶縁膜０２０５には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【００９２】
バリア絶縁膜０２０５には、第１配線０２０７上に開口部が形成されている。該バリア絶縁膜０２０５の開口部において、第１配線０２０７の表面に、第２金属膜０２０９が電気的に接している。バリア絶縁膜０２０５の開口部は、第１配線０２０７の領域内に形成されている。バリア絶縁膜０２０５の開口部の壁面は、第１配線０２０７の表面との境界面から、バリア絶縁膜０２０５の上面に向かい、開口断面積が広くなったテーパ面となっている。バリア絶縁膜０２１０の開口部壁面のテーパ角θtaperは、第１配線０２０７の上面に対し、８５°以下（θtaper≦８５°）に設定されている。【００９３】
第２電極０２０２および第１電極０２０１は、２端子スイッチ０２２０において、信号を伝達する電極である。第１電極０２０１は、第１金属膜０２０８の側壁部のうち、イオン伝導層０２０４と直接接している部位である。第２電極０２０２は、第２金属膜０２０９の側壁部のうち、イオン伝導層０２０４と直接接している部位である。【００９４】
第２金属膜０２０９は、ＣｕもしくはＣｕを主成分とした導電性材料で構成されている。第１金属膜０２０８は、異なる金属の２層で構成される。バリア絶縁膜０２０３の上面に接する、第１金属膜０２０８の下層は、２端子スイッチ０２２０にＯＦＦ操作のスイッチング電圧を印加する際、イオン伝導層０２０４と接する界面に生成される電界によりイオン化しにくく、イオン伝導層０２０４中に拡散もしくは伝導しにくい金属が用いられる。第１金属膜０２０８の下層の形成には、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ等を用いることができる。また、ハードマスク０２１８の下面に接する、第１金属膜０２０８の上層は、下層を保護する役割を有する。すなわち、例えば、ハードマスク０２１８を、第１金属膜０２０８を被覆するように形成する工程、ならびに、プラグ０２０６を作製するビア穴を作製する工程時、ハードマスク０２１８に開口を形成するエッチング工程において、上層が下層を保護することで、プロセス中の下層へのダメージを抑制する。第１金属膜０２０８の下層へのダメージが抑制される結果、２端子スイッチ０２２０のスイッチング特性を維持することができる。第１金属膜０２０８の上層の形成には、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｌあるいはそれらの窒化物等を用いることができる。第１金属膜０２０７の上層は、ハードマスク０２１８に設ける開口部において、第２バリアメタル０２１１を介してプラグ０２０６、さらに、プラグ０２０６と一体に形成されている第２配線０２１２と電気的に接続されている。【００９５】
結果的に、バリア絶縁膜０２０３は、第１金属膜０２０８と第２金属膜０２０９に挟まれて、設けられている。バリア絶縁膜０２０３は、第１金属膜０２０８と第２金属膜０２０９が短絡しないように、両者を絶縁する役割を有する。バリア絶縁膜０２０３には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【００９６】
イオン伝導層０２０４は、２端子スイッチ０２２０にＯＮ操作のスイッチング電圧を印加する際、第２電極から金属イオン（Ｃｕイオン）の供給が可能な膜である。また、イオン伝導層０２０４中に存在する電界で、金属イオン（Ｃｕイオン）が移動可能な膜である。イオン伝導層０２０４は、イオン伝導層が含む金属の作用（拡散、イオン伝動など）により抵抗が変化する材料を用いることができ、２端子スイッチ０２２０の抵抗変化を金属イオンの析出によって行う場合には、イオン伝導可能な膜が用いられる。金属イオンはＣｕイオンとして、第２電極０２０２より供給される。バリア絶縁膜０２１４には、プラグ０２１４を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタル０２１１を介してプラグ０２０６が埋め込まれている。【００９７】
イオン伝導層０２０４の作製に利用可能な材料候補の一つは、カルコゲナイドのＧｅＳｂＴｅで、相変化素子において、相変化層の材料として使用される。曲率を有する三層構造の側面に、ＧｅＳｂＴｅからなるイオン伝導層０２０４を形成する手段として、ＧｅＳｂＴｅの焼結ターゲットを用いてスパッタ成膜する方法がある。具体的には、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5ターゲットを用いて、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5からなる膜の成膜を行う。【００９８】
イオン伝導層０２０４の作製に利用可能な材料候補の他の一つは、シリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系材料であり、プラズマＣＶＤ法によって形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料（環状有機シロキサン）蒸気の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。【００９９】
ハードマスク０２１８は、第１金属膜０２０８、バリア絶縁膜０２０３、第２金属膜０２０９をエッチング加工する際、ハードマスク（エッチングマスク）として利用される。ハードマスク０２１８には、例えば、ＳｉＮ膜やＳｉＯ2膜、もしくはこれらの積層を用いることができる。【０１００】
バリア絶縁膜０２１４は、２端子スイッチ０２２０にダメージを与えることなく、さらに、イオン伝導層０２０４中に含まれる金属イオンの層間絶縁膜０２１５への拡散を防ぐ機能を有する絶縁膜である。加えて、バリア絶縁膜０２１４は、イオン伝導層０２０４中に含まれる酸素の脱離を防止する機能、ならびに、層間絶縁膜０２１５の形成工程時に、イオン伝導層０２０４にダメージが導入されることを防止する機能も有している。バリア絶縁膜０２１４には、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜等を用いることができる。バリア絶縁膜０２１４は、バリア絶縁膜０２０５と同一材料であることが好ましい。【０１０１】
層間絶縁膜０２１５は、バリア絶縁膜０２１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜０２１５には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯＣ膜などを用いることができる。層間絶縁膜０２１５は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜０２１５は、層間絶縁膜０２１３、層間絶縁膜０２１６と同一材料としてもよい。【０１０２】
層間絶縁膜０２１５、バリア絶縁膜０２１４、イオン伝導層０２０４、ハードマスク０２１８には、プラグ０２１４を埋め込むための下穴（ビアホール）が形成されており、当該下穴（ビアホール）に第２バリアメタル０２１１を介してプラグ０２０６が埋め込まれている。【０１０３】
層間絶縁膜０２１６は、層間絶縁膜０２１５上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜０２１６には、例えば、ＳｉＯ2膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯ2よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）などを用いることができる。層間絶縁膜０２１６は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜０２１６は、層間絶縁膜０２１５、層間絶縁膜０２１３と同一材料としてもよい。また、層間絶縁膜０２１６と層間絶縁膜０２１５を異なる絶縁材料を用いて作製し、そのエッチング特性に有意な差異を設けることもできる。層間絶縁膜０２１６には、第２配線０２１２埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝中に第２バリアメタル０２１１を介して第２配線０２１２が埋め込まれている。【０１０４】
第２配線０２１２は、層間絶縁膜０２１６に形成された配線溝に第２バリアメタル０２１１を介して埋め込まれた配線である。第２配線０２１２は、プラグ０２０６と一体になっている。【０１０５】
プラグ０２１４を埋め込むための下穴（ビアホール）と第２配線０２１２を埋め込むための配線溝を形成した後、下穴（ビアホール）と配線溝中に、第２バリアメタル０２１１を介して、第２配線０２１２とプラグ０２０６を一体化して埋め込む。第２配線０２１２及びプラグ０２０６の形成には、例えば、Ｃｕを用いることができる。【０１０６】
第２バリアメタル０２１１は、第２配線０２１２ならびにプラグ０２０６を構成する金属が、層間絶縁膜０２１６、層間絶縁膜０２１５、バリア絶縁膜０２１４、イオン伝導層０２０４、ハードマスク０２１８、ならびに、下層（第１金属膜０２０８）へと拡散することを防止するために、第２配線０２１２及びプラグ０２０６の側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。第２バリアメタル０２１２には、例えば、第２配線０２１２及びプラグ０２０６がＣｕを主成分とする金属材料からなる場合には、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＣＮのような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。【０１０７】
バリア絶縁膜０２１７は、第２配線０２１２の上面、ならびに、層間絶縁膜０２１６上に形成され、第２配線０２１７を構成する金属（例えば、Ｃｕ）の酸化を防いだり、上層への第２配線０２１２を構成する金属（例えば、Ｃｕ）の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜０２１７には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【０１０８】
（スイッチング動作）
図２に示す、第一の実施態様の２端子スイッチのスイッチング動作時の駆動方法を説明する。【０１０９】
（ａ）ＯＮ動作（ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移過程）
第１配線０２０７を接地する。その結果、第１配線０２０７の表面に電気的に接続されている第２金属膜０２０９も接地され、該第２金属膜０２０９の側壁面で構成される第２電極０２０２も接地される。従って、第２電極０２０２の電位Ｖ2は、Ｖ2＝０Ｖである。【０１１０】
一方、第２配線０２１２に負電圧（−ＶON＜０Ｖ）を印加する。その結果、第２配線０２１２と一体に形成されているプラグ０２０６に電気的に接続されている第１金属膜０２０８にも負電圧（−ＶON＜０Ｖ）が印加され、該第１金属膜０２０８の側壁面で構成される第１電極０２０１も負電圧（−ＶON＜０Ｖ）が印加された状態となる。従って、第１電極０２０１の電位Ｖ1は、Ｖ1＝−ＶONである。【０１１１】
第２電極０２０２とイオン伝導層０２０４との界面では、負電圧（−ＶON＜０Ｖ）の印加により生成される電界によって、第２電極０２０２を構成する金属がイオン化し、イオン伝導層０２０４へ金属イオン（Ｃｕイオン）が供給される。供給される金属イオン（Ｃｕイオン）は、イオン伝導層０２０４中の電界によって、第１電極０２０１側にマイグレーションする。第１電極０２０１と第２電極０２０２間に電気力線に従って、マイグレーションした金属イオンは、第１電極０２０１より電子を受け取り、電気化学反応によって、金属として析出する。析出する金属によって、第１電極０２０１の下層部から、第２電極０２０２の上端部への金属架橋０２２１の形成が進行する。第１電極０２０１の下層部と第２電極０２０２の上端部を連結する金属架橋０２２１の形成によって、第１電極０２０１と第２電極０２０２の間の抵抗値が低抵抗となり、ＯＮ状態となる。【０１１２】
前述のＯＮ状態への遷移は、第１電極０２０１を接地して（Ｖ1＝０Ｖ）、第２電極０２０２に正電圧を印加しても良い（Ｖ2＝＋ＶON＞０Ｖ）。【０１１３】
（ｂ）ＯＦＦ動作（ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移過程）
第１配線０２０７を接地する。その結果、第１配線０２０７の表面に電気的に接続されている第２金属膜０２０９も接地され、該第２金属膜０２０９の側壁面で構成される第２電極０２０２も接地される。従って、第２電極０２０２の電位Ｖ2は、Ｖ2＝０Ｖである。【０１１４】
一方、第２配線０２１２に正電圧（＋ＶOFF＞０Ｖ）を印加する。その結果、第２配線０２１２と一体に形成されているプラグ０２０６に電気的に接続されている第１金属膜０２０８にも正電圧（＋ＶOFF＞０Ｖ）が印加され、該第１金属膜０２０８の側壁面で構成される第１電極０２０１も正電圧（＋ＶOFF＞０Ｖ）が印加された状態となる。従って、第１電極０２０１の電位Ｖ1は、Ｖ1＝＋ＶOFFである。【０１１５】
第１電極０２０１に正電圧（＋ＶOFF＞０Ｖ）が印加された状態となると、イオン伝導層０２０４と金属架橋０２２１の界面では、生成される電界により、金属架橋０２２１を構成する金属がイオン化し、溶解反応が進行する。金属架橋０２２１の表面での溶解反応により生成する金属イオン（Ｃｕイオン）は、イオン伝導層０２０４中に存在する電界によって、第２電極０２０２側にマイグレーションする。第２電極０２０２とイオン伝導層０２０４と界面に達した金属イオンは、第２電極０２０２より電子を受け取り、電気化学反応によって、金属として析出する。【０１１６】
溶解反応が進行し、金属架橋０２２１による第１電極０２０１の下層部と第２電極０２０２の上端部を連結する導通経路が遮断されると、第１電極０２０１と第２電極０２０２の間の抵抗値が高抵抗となり、ＯＦＦ状態に遷移する。【０１１７】
前述のＯＮ状態への遷移は、第１電極０２０１を接地して（Ｖ1＝０Ｖ）、第２電極０２０２に負電圧を印加しても良い（Ｖ2＝−ＶOFF＜０Ｖ）。【０１１８】
第１電極０２０１と第２電極０２０２が曲率を有することで、ＯＮ状態とＯＦＦ状態間のスイッチング時に曲率部分に電界が集中し、安定かつバラツキが小さい動作が得られる。【０１１９】
図２に示す２端子スイッチ０２２０においては、第１金属膜０２０８と第２金属膜０２０９の平面形状は、プラグ０２０６を中心軸とする「円形」となっている。その際、プラグ０２０６を中心軸とする軸対称性を有する、２端子スイッチ０２２０においては、スイッチング動作時、金属架橋０２２１の形成を行う位置は、図２に示している位置と、プラグ０２０６に対して線対称な位置でも良い。【０１２０】
（製造プロセス）
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子を具えてなる半導体装置において、図２に示す、第一の実施態様の２端子スイッチング素子を、前記抵抗変化型不揮発性スイッチング素子として作製する際の製造プロセスを説明する。図３−１と図３−２が、第一の実施態様の２端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図である。図３−１は、該製造工程中、工程１〜工程３を示す図であり、図３−２は、該製造工程中、工程４〜工程８を示す図である。【０１２１】
（工程１）
半導体基板０３１９（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜０３１３（例えば、膜厚３００ｎｍのＳｉＯ2、膜厚１５０ｎｍのＳｉＯＣＨ、膜厚１００ｎｍのＳｉＯ2）を堆積し、その後、リソグラフィ法（フォトレジスト形成、ドライエッチング、フォトレジスト除去を含む）を用いて、層間絶縁膜０３１３に配線溝を形成し、その後、当該配線溝に第１バリアメタル０３１０（例えば、ＴａＮ／Ｔａ、膜厚５ｎｍ／５ｎｍ）を介して第１配線０３０７（例えば、Ｃｕ）を埋め込む。層間絶縁膜０３１３は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。第１配線０３０７は、例えば、ＰＶＤ法によって第１バリアメタル０３１０（例えば、ＴａＮ／Ｔａの積層膜）を形成し、ＰＶＤ法によるＣｕシードの形成後、電解めっき法によってＣｕを配線溝内に埋設し、２００℃以上の温度で熱処理処理後、ＣＭＰ法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の銅配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。ここで、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウエハ表面の凹凸を、研磨液をウエハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。配線溝に埋め込まれた余剰の銅を研磨することによって埋め込み配線（ダマシン配線）を形成したり、層間絶縁膜０３１３を研磨することで平坦化を行う。【０１２２】
（工程２）
第１配線０３０７を含む層間絶縁膜０３１３上にバリア絶縁膜０３０５（例えば、ＳｉＮ、膜厚３０ｎｍ）を形成する。ここで、バリア絶縁膜０３０５は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。バリア絶縁膜０３０５の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。バリア絶縁膜０３０５上にハードマスク０３２１（例えば、ＳｉＯ2）を形成する。このとき、ハードマスク０３２１は、ドライエッチング加工におけるエッチング選択比を大きく保つ観点から、バリア絶縁膜０３０５とは異なる材料であることが好ましく、絶縁膜であっても導電膜であってもよい。ハードマスク０３２１には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮ等を用いることができ、ＳｉＣＮ／ＳｉＯ2の積層体を用いることができる。【０１２３】
（工程３）
ハードマスク０３２１上にフォトレジスト（図示せず）を用いて開口部をパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングすることによりハードマスク０３２１に開口部パターンを形成し、その後、酸素プラズマアッシング等によってフォトレジストを剥離する。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜０３２１の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜０３２１の内部にまで到達していてもよい。【０１２４】
（工程４）
ハードマスク０３２１をマスクとして、ハードマスク０３２１の開口部から露出するバリア絶縁膜０３０５をエッチバック（ドライエッチング）することにより、バリア絶縁膜０３０５に開口部を形成して、バリア絶縁膜０３０５の開口部から第１配線０３０７を露出させ、その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで、第１配線０３０７の露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する。バリア絶縁膜０３０５をエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜０３０５の開口部の壁面をテーパ面とすることができる。反応性ドライエッチングでは、エッチングガスとしてフルオロカーボンを含むガスを用いることができる。ハードマスク０３２１は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場にはそのまま残存してもよい。また、バリア絶縁膜０３０５の開口部の形状は円形とし、円の直径は３０ｎｍから５００ｎｍとすることができる。非反応性ガスを用いたＲＦ（Radio Frequency；高周波）エッチングによって、第１配線０３０７の表面の酸化物を除去する。非反応性ガスとしては、ヘリウムやアルゴンを用いることができる。【０１２５】
（工程５）
開口したバリア絶縁膜０３０５の上に第２金属膜０３０９（例えば、Ｃｕ１０ｎｍ）、バリア絶縁膜０３０３（例えばＳｉＣＮ膜、膜厚１０ｎｍ）、第１金属膜０３０８（例えば、Ｒｕ１０ｎｍとＴａ１０ｎｍをこの順番で堆積する）を順に堆積する。さらに、ハードマスク０３１８（例えば、ＳｉＮ膜、膜厚３０ｎｍ）、およびハードマスク０３２２（例えば、ＳｉＯ2膜、膜厚１００ｎｍ）をこの順に積層する。工程５において、ハードマスク０３１８、ハードマスク０３２２は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。また、工程５において、第１金属膜０３０８及び第２金属膜０３０９はスパッタ法によって形成する。さらに、ハードマスク０３２２をパターニングするためのフォトレジスト（図示せず）を形成し、その後、当該フォトレジストをマスクとして、ハードマスク０３１８が表れるまでハードマスク０３２２をドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。フォトレジストはマスクの露光パターンにより、上面から見た形状が円もしくは楕円になっている。【０１２６】
もしくは、露光パターンを長方形もしくは正方形とし、ハードマスク０３２２のエッチング加工時に、サイド・エッチングによって、曲率を持たせてもよい。【０１２７】
（工程６）
次に、ハードマスク０３２２をエッチングマスクとして、ハードマスク０３１８、第１金属膜０３０８、バリア絶縁膜０３０３、第２金属膜０３０９を連続的にドライエッチングし、第１電極０３０１および第２電極０３０２を形成する。このとき、ハードマスク０３２２は、前記一連のエッチング加工中に完全にエッチング除去されることが好ましい。なお、ハードマスク０３２２の一部（厚さの均一な残余膜）が、そのまま残存してもよい。工程６において、例えば、第１金属膜０３０８の上層がＴａの場合にはＣｌ2系のＲＩＥで加工することができ、第１金属膜０３０８の下層がＲｕの場合、および第２金属膜０３０９がＣｕの場合にはＣｌ2／Ｏ2の混合ガスでＲＩＥ加工することができる。このようなハードマスクＲＩＥ法を用いることで、第１金属膜０３０８および第２金属膜０３０９をレジスト除去のための酸素プラズマアッシングに曝すことなく、エッチング加工をすることができる。【０１２８】
また、エッチング加工後に酸素プラズマによって、レジスト酸化処理する場合には、レジストの剥離時間に依存することなく酸化プラズマ処理を照射することができるようになる。工程６では、ハードマスク０３１８、第１金属膜０３０８、バリア絶縁膜０３０３、第２金属膜０３０９に曲率を有するようにエッチングレシピを調整してもよい。【０１２９】
（工程７）
次に、ハードマスク０３１８上、バリア絶縁膜０３０５、第１電極０３０１、第２電極０３０２、バリア絶縁膜０３０３の側面に接するようにイオン伝導層０３０４としてシリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系イオン伝導層をＣＶＤ法で２０ｎｍから８０ｎｍ程度形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。温度は２５０℃〜３５０℃程度が好ましい。次に、イオン伝導層０３０４上にバリア絶縁膜０３１４としてＳｉＮもしくはＳｉＣＮを３０ｎｍの膜厚で形成する。工程８において、バリア絶縁膜０３１４は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。例えば、ＳｉＨ4／Ｎ2の混合ガスを高密度プラズマによって形成したＳｉＮ膜などを用いることが好ましい。２端子スイッチ素子０３２０以外の領域にもイオン伝導層０３０４が残るが、絶縁膜として機能するため、２端子スイッチの動作および多層配線に影響はない。工程７では、バリア絶縁膜０３１４の上に層間絶縁膜０３１５としてＳｉＯ2を３００ｎｍ成膜する。さらに、２端子スイッチ０３２０によって生じた段差を解消するため、層間絶縁膜０３１５を１７０ｎｍ程度ＣＭＰ法にて研磨することで平坦にする。層間絶縁膜０３１５は２端子スイッチ素子０３２０の段差を確実に埋めるために、高密度プラズマを使用してＳｉＯ2を成膜することが望ましい。【０１３０】
（工程８）
次に、層間絶縁膜０３１５の上に層間絶縁膜０３１６（例えば、比誘電率の低いＳｉＯＣ、ＳｉＯ2の積層）を堆積し、その後、プラグ０３０６用の下穴および第２配線０３１２用の配線溝をドライエッチングによって形成し、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝及び当該下穴内に第２バリアメタル０３１１（例えば、ＴａＮ／Ｔａ）を介して第２配線０３１２（例えば、Ｃｕ）及びプラグ０３０６（例えば、Ｃｕ）を同時に形成し、その後、第２配線０３１２を含む層間絶縁膜０３１６上にバリア絶縁膜０３１７（例えば、ＳｉＣＮ膜）を堆積する。工程８において、第２配線０３１２およびプラグ０３０６の形成は、例えば、ＰＶＤ法によって第２バリアメタル０３１１（例えば、ＴａＮ／Ｔａの積層膜）を形成し、ＰＶＤ法によるＣｕシードの形成後、電解めっき法によって銅を配線溝内に埋設し、２００℃以上の温度で熱処理処理後、ＣＭＰ法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の銅配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。工程８では、第２バリアメタル０３１１と第１金属膜０３０８の上層を同一材料とすることでプラグ０３０６と第１金属膜０３０８の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上（ＯＮ状態時の２端子スイッチの抵抗を低減）させることができるようになる。また、工程８において、層間絶縁膜０３１６及びバリア絶縁膜０３１７はプラズマＣＶＤ法で形成することができる。工程８ではプラグ０３０６の下穴を形成する際、第１金属膜０３０８の上層に到達しており、第１金属膜０３０８の上層の材料がエッチングストッパ材料として機能する。プラグ０３０６用の下穴および第２配線０３１２用の配線溝のドライエッチングには、フルオロカーボン系のガスを用いる。【０１３１】
（第二の実施形態）
本発明に係る金属架橋型スイッチング素子における、第二の実施形態は、下に説明する「３端子スイッチ」の構成を採用する、金属架橋型スイッチング素子である。【０１３２】
本発明の第二の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子で採用される、「３端子スイッチ」の構成を説明する。図４は、第二の実施形態の「３端子スイッチ」の構成の一例を模式的に示す断面図である。【０１３３】
図４に示すように、第二の実施形態の「３端子スイッチ」は、プラグ０４０６に電気的に接続している第１金属膜０４０８と、第１配線Ａ０４０７に電気的に接続している第２金属膜０４０９と、第１金属膜０４０８と第２金属膜０４０９により挟まれ、両者を電気的に分離している、層間絶縁膜０４０３を具えている。【０１３４】
第１金属膜０４０８、層間絶縁膜０４０３、第２金属膜０４０９からなる三層構造は、同じ平面形状にパターニングされており、該パターニングされた三層構造の側面には、第１金属膜０４０８の側壁面、層間絶縁膜０４０３の側壁面、第２金属膜０４０９の側壁面が露呈している。【０１３５】
また、第１配線Ａ０４０７に加えて、第３電極として利用される、第１配線Ｂ０４１０が形成されている。【０１３６】
イオン伝導層０４０４は、該第１配線Ｂ０４１０の上面と、前記パターニングされた三層構造の側面の一部とのみ接触するように設けられている。第１金属膜０４０８の側壁面のうち、イオン伝導層０４０４と接触する部分が、第１電極０４０１として機能し、第２金属膜０４０９の側壁面のうち、イオン伝導層０４０４と接触する部分が、第２電極０４０２として機能する。また、イオン伝導層０４０４は、金属イオンが伝導するための媒体となる。従って、第３電極として利用される、第１配線Ｂ０４１０と、第１電極０４０１、イオン伝導層０４０４、第２電極０４０２を用いて、第二の実施形態の「３端子スイッチ」が構成されている。【０１３７】
第２金属膜０４０９を構成する導電性材料には、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）が適しており、これらの積層を採用しても良い。特に、Ｒｕが好ましい。【０１３８】
第２金属膜０４０９の上面には、層間絶縁膜０４０３が形成されている。層間絶縁膜０４０３は、気相堆積が可能な絶縁材料であり、かつ、イオン伝導性を示さない絶縁材料、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いて、形成することができる。【０１３９】
第１金属膜０４０８を構成する導電性材料には、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）が適しており、これらの積層を採用しても良い。特に、Ｒｕが好ましい。これらの導電性材料で構成される第１金属膜０４０８は。スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ法を用いて、層間絶縁膜０４０３の上面に形成する。【０１４０】
図４に示す第二の実施形態の「３端子スイッチ」の構成では、パターニングされた三層構造の平面形状は、円形であり、従って、第１金属膜０４０８および第２金属膜０４０９の平面形状は円形である。そのため、第１金属膜０４０８の側壁面からなる第１電極０４０１及び第２金属膜０４０９の側壁面からなる第２電極０４０２も、同じ曲率を有する。【０１４１】
イオン伝導層０４０４は、第１配線Ｂ０４１０の表面と、曲率を有する三層構造の側面に接するように形成するため、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ法を用いて形成する。イオン伝導層０４０４の材料としては、金属イオンの伝導度の大きく、かつ、ＬＳＩ生産ラインにおいて、気相エッチング加工可能な材料を選択する必要がある。【０１４２】
イオン伝導層０４０４の作製に利用可能な材料候補の一つは、カルコゲナイドのＧｅＳｂＴｅで、相変化素子において、相変化層の材料として使用される。曲率を有する三層構造の側面に、ＧｅＳｂＴｅからなるイオン伝導層０４０４を形成する手段として、ＧｅＳｂＴｅの焼結ターゲットを用いてスパッタ成膜する方法がある。具体的には、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5ターゲットを用いて、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5からなる膜の成膜を行う。【０１４３】
イオン伝導層０４０４の作製に利用可能な材料候補の他の一つは、シリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系材料であり、プラズマＣＶＤ法によって形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料（環状有機シロキサン）蒸気の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。【０１４４】
第３電極として利用される、第１配線Ｂ０４１０は、イオン伝導層０４０４に金属イオンを供給可能な金属材料で構成される。例えば、主金属はＣｕで、Ａｌなどとの合金でも良い。【０１４５】
（スイッチング動作）
図４に示す第二の実施形態の「３端子スイッチ」における、ＯＮ／ＯＦＦ動作（スイッチング）時の駆動方法を説明する。【０１４６】
（ａ）ＯＮ動作（ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移過程）
ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移時には、例えば、第１電極０４０１、第２電極０４０２を接地して、第３電極として利用される、第１配線Ｂ０４１０に正電圧（＋ＶON＞０Ｖ）を印加する。第１配線Ｂ０４１０とイオン伝導層０４０４の界面では、印加される正電圧に起因する電界によって、金属がイオン化（酸化）され、生成する金属イオンがイオン伝導層０４０４中に供給される。供給される金属イオンは、イオン伝導層０４０４中の電界によって、第２電極０４０２、第１電極０４０１側にマイグレーションする。マイグレーションした金属イオンは、第２電極０４０２、第１電極０４０１からイオン伝導層０４０４中に注入される電子を受け取り、金属へと還元される。この電気化学反応によって、第２電極０４０２の表面、第１電極０４０１の表面（側壁面）の下端から、金属の析出が開始する。第１電極０４０１、第２電極０４０２と、第１配線Ｂ０４１０（第３電極）の間の電気力線に従って、金属架橋０４０５の形成が進行する。第２電極０４０２の表面、第１電極０４０１の表面（側壁面）の下端から形成される金属架橋０４０５が、層間絶縁膜０４０３の側壁面に沿って、第２電極０４０２の表面（側壁面）の上端と第１電極０４０１の表面（側壁面）の下端を連結する導通経路を形成すると、第１電極０４０１と第２電極０４０２の間の抵抗値が低抵抗となり、ＯＮ状態となる。【０１４７】
ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移時のバイアスは、第１配線Ｂ０４１０（第３電極）を接地して、第１電極０４０１、第２電極０４０２に負電圧（−ＶON＜０Ｖ）を印加する形態でも良い。【０１４８】
（ｂ）ＯＦＦ動作（ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移過程）
一方、ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移時には、例えば、例えば、第１電極０４０１、第２電極０４０２を接地して、第３電極として利用される、第１配線Ｂ０４１０に負電圧（−ＶOFF＜０Ｖ）を印加する。まず、第１電極０４０１、第２電極０４０２側において、金属架橋０４０５を構成する金属のイオン化（酸化）と、イオン伝導層０４０４中への金属イオンの溶出が進行する（溶解反応）。イオン伝導層０４０４中に溶出した金属イオンは、イオン伝導層０４０４中に形成されている電界によって、第１配線Ｂ０４１０（第３電極）の表面に向かってマイグレーションする。第１配線Ｂ０４１０（第３電極）の表面から、イオン伝導層０４０４中へ注入される電子によって、金属イオンは還元される。生成する金属は、第１配線Ｂ０４１０（第３電極）の表面に再析出する。金属架橋０４０５の溶解が進行し、層間絶縁膜０４０３の側壁面に沿って、第２電極０４０２の表面（側壁面）の上端と第１電極０４０１の表面（側壁面）の下端を連結する導通経路が途絶えると、第１電極０４０１と第２電極０４０２の間の抵抗値が高抵抗となり、ＯＦＦ状態となる。【０１４９】
ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移時のバイアスは、第１配線Ｂ０４１０（第３電極）を接地して、第１電極０４０１、第２電極０４０２に正電圧（＋ＶOFF＞０Ｖ）を印加する形態でも良い。【０１５０】
図４に示す第二の実施形態の「３端子スイッチ」を構成する、第１電極０４０１と第２電極０４０２の側面が曲率を有することで、ＯＮ／ＯＦＦ動作（スイッチング）時、第１電極０４０１、第２電極０４０２と、第１配線Ｂ０４１０（第３電極）の間に印加されるスイッチング電圧によりイオン伝導層中に形成される電界は、この曲率部分に集中し、安定かつバラツキが小さいスイッチング動作が得られる。【０１５１】
（第一の実施態様）
本発明の第二の実施形態にかかる、第一の実施態様の３端子スイッチング素子について説明する。【０１５２】
該第一の実施態様の３端子スイッチング素子は、半導体装置に設ける多層配線層内部に形成されている。図５に、半導体装置に設ける多層配線層内部に形成されている、該第一の実施態様の３端子スイッチング素子０５２０の構造を示す。【０１５３】
図５に示す半導体装置に設ける多層配線層は、第１金属膜０５０８と電気的に接続されているプラグ０５０６、該プラグ０５０６と一体に作製されている第２配線０５１２、第２金属膜０５０９に接続された第１配線Ａ０５０７、ならびに、第３電極として利用される、第１配線Ｂ０５２２を備えている。第１金属膜０５０８と第２金属膜０５０９との間にバリア絶縁膜０５０３が挟まれており、第１金属膜０５０８、バリア絶縁膜０５０３、第２金属膜０５０９からなる三層構造は、ハードマスク０５１８をエッチングマスクとして利用し、エッチング加工を施すことで、同一の平面形状にパターニングされている。パターニングされた三層構造の側面には、第１金属膜０５０８の側壁部、バリア絶縁膜０５０３の側壁部、第２金属膜０５０９の側壁部が露呈している。【０１５４】
パターニングされた三層構造の側面の一部は、イオン伝導層０５０４に接触しており、イオン伝導層０５０４と接触している第１金属膜０５０８の側壁部が、第１電極０５０１として使用され、イオン伝導層０５０４と接触している第２金属膜０５０９の側壁部が、第２電極０５０２として使用されている。第３電極として利用される、第１配線Ｂ０５２２の表面の一部は、バリア絶縁膜０５０５の開口部において、イオン伝導層０５０４に接触している。【０１５５】
３端子スイッチ０５２０は、第３電極として利用される、第１配線Ｂ０５２２、第１電極０５０１、第２電極０５０２と、イオン伝導層０５０４により構成される。【０１５６】
多層配線層は、半導体基板０５１９上にて、層間絶縁膜０５１３、バリア絶縁膜０５０５、保護絶縁膜０５２３、イオン伝導層０５０４、バリア絶縁膜０５１４、層間絶縁膜０５１５、層間絶縁膜０５１６、及びバリア絶縁膜０５１７の順に積層した絶縁積層体を有する。【０１５７】
層間絶縁膜０５１６に形成された配線溝に第２配線０５１２が埋め込まれており、層間絶縁膜０５１５、バリア絶縁膜０５１４、イオン伝導層０５０４、保護絶縁膜０５２３及びハードマスク０５１８に形成された下穴にプラグ０５０６が埋め込まれており、第２配線０５１２とプラグ０５０６がそれぞれ一体となっており、第２配線０５２０およびプラグ０５０６の側面及び底面が第２バリアメタル０５１１によって覆われている。【０１５８】
イオン伝導層０５０４と層間絶縁膜０５１５の間には、バリア絶縁膜０５１４が設けられており、該バリア絶縁膜０５１４を利用して、イオン伝導層０５０４から層間絶縁膜０５１５への金属イオンの拡散を防止している。また、イオン伝導層０５０４と層間絶縁膜０５１３の間には、保護絶縁膜０５２３、バリア絶縁膜０５０５が設けられており、保護絶縁膜０５２３、バリア絶縁膜０５０５を利用して、イオン伝導層０５０４から層間絶縁膜０５１３への金属イオンの拡散を防止している。【０１５９】
また、バリア絶縁膜０５０５は、層間絶縁膜０５１３の上面と、第１配線Ａ０５０７の上面、第１配線Ｂ０５２２の上面を被覆しており、第１配線Ａ０５０７の上面部と第１配線Ｂ０５２２の上面部に開口部が形成されている。この開口部を介して、第２金属膜０５０９と第１配線Ａ０５０７の上面部との電気的接続がなされている。また、開口部を介して、第１配線Ｂ０５２２の表面に、イオン伝導層０５０４が接触している。従って、バリア絶縁膜０５０５は、第２金属膜０５０９と層間絶縁膜０５１３の上面との接触を防止している。その結果、第２金属膜０５０９を構成する金属の層間絶縁膜０５１３中への拡散を防止している。【０１６０】
３端子スイッチ０５２０は、開口されたバリア絶縁膜０５０５上に、加工された第２電極０５０２を構成する第２金属膜０５０９、バリア絶縁膜０５０３、第１電極０５０１を構成している第１金属膜０５０８、ハードマスク０５０８、保護絶縁膜０５２３、別の開口されたバリア絶縁膜０５０５の下に第３電極を兼ねた第１配線Ｂ０５２２があり、保護絶縁膜０５２３の上面とハードマスク０５１８、第１金属膜０５０８、バリア絶縁膜０５０３、第２金属膜０５０９の側面、及び、第１配線Ｂ０５２２の上面を覆うように、イオン伝導層０５０４が形成されており、その上にバリア絶縁膜０５１４が形成されている。【０１６１】
３端子スイッチ０５２０は、第１電極０５０１を構成する第１金属膜０５０８がプラグ０５０６と第２バリアメタル０５１１を介して電気的に接続されている。また、第２電極０５０２を構成する第２金属膜０５０９は、バリア絶縁膜０２０５に開口された開口部を介して第１配線Ａ０５０７及び第１バリアメタルＡ０５１０と電気的に接続されている。また、第３電極は第１配線Ｂ０５２２が兼ねている。【０１６２】
第１電極０５０１を構成する第１金属膜０５０８は２層構造となっており、プラグ０５０６に接する面（上層）には、第２バリアメタル０５１１と同じ材料を用いる。このようにすることで、プラグ０５０６の第２バリアメタル０５１１と、第１電極０５０１を構成する第１金属膜０５０８の上層とが一体化し、接触抵抗を低減し、かつ、密着性の向上による信頼性の向上を実現することができる。【０１６３】
半導体基板０５１９は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板０５１９には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。【０１６４】
層間絶縁膜０５１３は、半導体基板０５１９上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜０５１３には、例えば、ＳｉＯ2、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。層間絶縁膜０５１３は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜０５１３には、第１配線Ａ０５０７及び第１配線Ｂ０５２２を埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第１バリアメタルＡ０５１０を介して第１配線Ａ０５０７が、第１バリアメタルＢ０５２１を介して第１配線層Ｂ０５２２が埋め込まれている。【０１６５】
第１配線Ａ０５０７及び第１配線Ｂ０５２２は、層間絶縁膜０５１３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ０５１０及び第１バリアメタルＢ０５２１を介して埋め込まれた配線である。第１配線Ａ０５０７は、第２電極０５０２を形成する第２金属膜０５０９と直接接している。第１配線Ｂ０５２２はイオン伝導層０５０４と直接接している。第１配線Ａ０５０７及び第１配線Ｂ０５２２はＣｕで構成されているが、Ａｌと合金化されていてもよい。第１配線Ｂ０５２２は３端子イオン伝導層０５０４中にＣｕイオンを供給する第３電極として機能する。【０１６６】
第１バリアメタルＡ０５１０及び第１バリアメタルＢ０５２１は、第１配線Ａ０５０７及び第１配線Ｂ０５２２を構成する金属が層間絶縁膜０５１３や下層へ拡散することを防止するために、配線の側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタルＡ０５１０及び第１バリアメタルＢ０５２１には、例えば、第１配線Ａ０５０７及び第１配線Ｂ０５２２がＣｕを主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。【０１６７】
バリア絶縁膜０５０５は、第１配線Ａ０５０７及び第１配線Ｂ０５２２を含む層間絶縁膜０５１３上に形成され、第１配線Ａ０５０７及び第１配線Ｂ０５２２を構成する金属（例えば、Ｃｕ）の酸化を防いだり、イオン伝導層０５０４中への第１配線Ａ０５０７及び第１配線Ｂ０５２２を構成する金属の拡散を防ぐ役割を有する。バリア絶縁膜０５０５には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【０１６８】
バリア絶縁膜０５０５は、第１配線Ａ０５０７及び第１配線Ｂ０５２２上にて開口部を有する。バリア絶縁膜０５０５の開口部においては、第１配線Ａ０５０７と第２電極０５０２を構成する第２金属膜０２０９が接し、第１配線Ｂ０５２２とイオン伝導層０５０４が接している。バリア絶縁膜０５０５の開口部は、第１配線Ａ０５０７及び第１配線Ｂ０５２２、それぞれの領域内に形成されている。バリア絶縁膜０５０５の開口部の壁面は、第１配線Ａ０５０７及び第１配線Ｂ０５２２から離れるにしたがい広くなったテーパ面となっている。バリア絶縁膜０５１０の開口部壁面のテーパ角θtaperは、第１配線０２０７の上面に対し、８５°以下（θtaper≦８５°）に設定されている。【０１６９】
第２電極０５０２および第１電極０５０１は、３端子スイッチ０５２０において信号を伝達する電極であり、イオン伝導層０５０４と直接接している。第２電極０５０２を構成する第２金属膜０５０９はイオン化しにくく、イオン伝導層０５０４に拡散もしくは伝導しにくい金属が用いられる。例えば、Ｐｔ、Ｒｕ等を用いることができる。第２電極０５０２は第２金属膜０５０９の側壁部である。第１電極０５０１を構成する第１金属膜０５０８は、異なる金属の２層で構成される。第１電極０５０１は第１金属膜０５０８の側壁部である。バリア絶縁膜０５０３およびイオン伝導層０５０４に接する下層はイオン化しにくく、イオン伝導層０５０４に拡散もしくは伝導しにくい金属が用いられる。例えば、Ｐｔ、Ｒｕ等を用いることができる。また、第１電極０５０１を構成する第１金属膜０５０８の上層は、ハードマスク０５１８およびイオン伝導層０５０４に接する。第１金属膜０５０８の上層は、下層を保護する役割を有する。すなわち、上層が下層を保護することで、プロセス中の下層へのダメージを抑制し、３端子スイッチ０５２０のスイッチング特性を維持することができる。この上層には、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｌあるいはそれらの窒化物等を用いることができる。第１金属膜０５０７の上層は、第２バリアメタル０５１１を介してプラグ０５０６と電気的に接続されている。【０１７０】
バリア絶縁膜０５０３は、第１電極０５０１を構成する第１金属膜０５０８と第２電極０５０２を構成する第２金属膜０５０９に挟まれて設けられている。バリア絶縁膜０５０３は第１電極０５０１を構成する第１金属膜０５０８と第２電極０５０２を構成する第２金属膜０５０９が短絡しないように、両者を絶縁する役割を有する。バリア絶縁膜０５０３には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【０１７１】
イオン伝導層０５０４は、金属イオン（Ｃｕイオン）が電界で移動可能な膜である。イオン伝導層０５０４は、イオン伝導層が含む金属の作用（拡散、イオン伝動など）により抵抗が変化する材料を用いることができる。３端子スイッチ０５２０の抵抗変化を、金属架橋の形成・消滅によって行う場合には、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０５２２より供給される金属イオンが、イオン伝導可能な膜が用いられる。金属イオンは、Ｃｕイオンとして、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０５２２より供給される。バリア絶縁膜０５１４には、プラグ０５１４を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタル０５１１を介してプラグ０５０６が埋め込まれている。【０１７２】
イオン伝導層０５０４の作製に利用可能な材料候補の一つは、カルコゲナイドのＧｅＳｂＴｅで、相変化素子において、相変化層の材料として使用される。曲率を有する三層構造の側面に、ＧｅＳｂＴｅからなるイオン伝導層０５０４を形成する手段として、ＧｅＳｂＴｅの焼結ターゲットを用いてスパッタ成膜する方法がある。具体的には、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5ターゲットを用いて、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5からなる膜の成膜を行う。【０１７３】
イオン伝導層０５０４の作製に利用可能な材料候補の他の一つは、シリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系材料であり、プラズマＣＶＤ法によって形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料（環状有機シロキサン）蒸気の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。【０１７４】
ハードマスク０５１８は、第１電極０５０１を構成する第１金属膜０５０８、バリア絶縁膜０５０３、第２電極０５０２を構成する第２金属膜０５０９をエッチングする際のハードマスクとなる膜である。ハードマスク０５１８には、例えば、ＳｉＮ膜やＳｉＯ2膜、もしくはこれらの積層を用いることができる。【０１７５】
保護絶縁膜０５２３は、第１電極０５０１を構成する第１金属膜０５０８、バリア絶縁膜０５０３、第２電極０５０２を構成する第２金属膜０５０９の側面を、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０５２２上のバリア絶縁膜０５０３を開口する際のアッシング処理から保護するために用いられる膜である。アッシング処理には酸素プラズマを使用するため、第１金属膜０５０８及び第２金属膜０５０９の側面である第１電極０５０１と第２電極０５０９が酸化されてしまう。保護絶縁膜０５２３には、例えば、ＳｉＮ膜やＳｉＣＮ膜、もしくはこれらの積層を用いることができる。【０１７６】
バリア絶縁膜０５１４は、３端子スイッチ０５２０にダメージを与えることなく、さらにイオン伝導層０５０４に含まれる金属イオン（Ｃｕイオン）の層間絶縁膜０５１５への拡散を防ぐ機能を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜０５１４には、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜等を用いることができる。バリア絶縁膜０５１４は、バリア絶縁膜０５０５と同一材料であることが好ましい。バリア絶縁膜０５１４には、プラグ０５０６を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタル０５１１を介してプラグ０５０６が埋め込まれている。【０１７７】
層間絶縁膜０５１５は、バリア絶縁膜０５１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜０５１５には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯＣ膜などを用いることができる。層間絶縁膜０５１５は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜０５１５は、層間絶縁膜０５１３、層間絶縁膜０５１６と同一材料としてもよい。層間絶縁膜０５１５には、プラグ０５０６を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタル０５１１を介してプラグ０５０６が埋め込まれている。【０１７８】
層間絶縁膜０５１６は、層間絶縁膜０５１５上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜０５１６には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯ2よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）などを用いることができる。層間絶縁膜０５１６は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜０５１６は、層間絶縁膜０５１５、層間絶縁膜０５１３と同一材料としてもよい。また、層間絶縁膜０５１６と層間絶縁膜０５１５を異なる絶縁材料を用いて作製し、そのエッチング特性に有意な差異を設けることもできる。層間絶縁膜０５１６には、第２配線０５１２埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第２バリアメタル０５１１を介して第２配線０５１２が埋め込まれている。【０１７９】
第２配線０５１２は、層間絶縁膜０５１６に形成された配線溝に第２バリアメタル０５１１を介して埋め込まれた配線である。第２配線０５１２は、プラグ０５０６と一体になっている。プラグ０５０６は、層間絶縁膜０５１５、バリア絶縁膜０５１４、及びハードマスク０５１８に形成された下穴に第２バリアメタル０５１１を介して埋め込まれている。プラグ０５０６は、第２バリアメタル０５１１を介して第１電極０５０１を構成する第１金属膜０５０８と電気的に接続されている。第２配線０５１２及びプラグ０５０６には、例えば、Ｃｕを用いることができる。【０１８０】
第２バリアメタル０５１１は、第２配線０５１２（プラグ０５０６を含む）を構成する金属が層間絶縁膜０５１６や層間絶縁膜０５１５や下層へ拡散することを防止するために、第２配線０５１２及びプラグ０５０６の側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。第２バリアメタル０５１２には、例えば、第２配線０５１２及びプラグ０５０６がＣｕを主成分とする金属元素からなる場合には、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＣＮのような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。【０１８１】
バリア絶縁膜０５１７は、第２配線０５１２を含む層間絶縁膜０５１６上に形成され、第２配線０５１７を構成する金属（例えば、Ｃｕ）の酸化を防いだり、上層への第２配線０５１２を構成する金属の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜０５１７には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【０１８２】
（スイッチング動作）
図５に示す、第一の実施態様の３端子スイッチのスイッチング動作時の駆動方法を説明する。【０１８３】
（ａ）ＯＮ動作（ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移過程）
まず第２電極０５０２を第２電極０５０２と電気的に接続されている第２金属膜０５０９を第１配線０５０７を介して、第１電極０５０１を、第１電極０５０１と電気的に接続されている第１金属膜０５０８、プラグ０５０６、第２配線０５１２を介して、それぞれ接地する。さらに、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０５２２に正電圧（＋ＶON＞０Ｖ）を印加すると第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０５２２から金属イオン（Ｃｕイオン）がイオン伝導層０５０４中へ拡散し、第１電極０５０１及び第２電極０５０２側にマイグレーションする。マイグレーションした金属イオンは、第１電極０５０１及び第２電極０５０２より電子を受け取り、電気化学反応によって金属架橋０５２４が析出する。これによって第１電極０５０１と第２電極０５０２の間の抵抗値が低抵抗となり、ＯＮ状態となる。【０１８４】
ＯＮ状態への遷移は、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０５２２を接地して、第１電極０５０１及び第２電極０５０２に負電圧（−ＶON＜０Ｖ）を印加しても良い。【０１８５】
（ｂ）ＯＦＦ動作（ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移過程）
一方、第２電極０５０２を第２電極０５０２と電気的に接続されている第２金属膜０５０９を第１配線０５０７を介して、第１電極０５０１を第１電極０５０１と電気的に接続されている第１金属膜０５０８、プラグ０５０６、第２配線０５１２を介して、それぞれ接地し、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０５２２に負電圧（＝ＶOFF＜０Ｖ）を印加すると、金属架橋０５２１の溶解反応が進行し、金属架橋０５２４は金属イオン（Ｃｕイオン）となって、イオン伝導層０５０４中に分散する。これによって、第１電極０５０１と第２電極０５０２の間の抵抗値が高抵抗となり、ＯＦＦ状態に遷移する。【０１８６】
ＯＦＦ状態への遷移は、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０５２２を接地して、第１電極０５０１及び第２電極０５０２に正電圧（＋ＶOFF＞０Ｖ）を印加しても良い。【０１８７】
第１電極０５０１と第２電極０５０２の側面形状が曲率を有することで、ＯＮ状態とＯＦＦ状態へのスイッチング時、スイッチング電圧を印加する際、該曲率部分に電界が集中し、安定かつバラツキが小さいスイッチング動作が得られる。【０１８８】
（製造プロセス）
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子を具えてなる半導体装置において、図５に示す、第一の実施態様の３端子スイッチング素子を、前記抵抗変化型不揮発性スイッチング素子として作製する際の製造プロセスを説明する。図６−１と図６−２が、第一の実施態様の３端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図である。図６−１は、該製造工程中、工程１〜工程５を示す図であり、図６−２は、該製造工程中、工程６〜工程１０を示す図である。【０１８９】
（工程１）
半導体基板０６１９（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜０６１３（例えば、膜厚３００ｎｍのＳｉＯ2、膜厚１５０ｎｍのＳｉＯＣＨ、膜厚１００ｎｍのＳｉＯ2）を堆積し、その後、リソグラフィ法（フォトレジスト形成、ドライエッチング、フォトレジスト除去を含む）を用いて、層間絶縁膜０５１３に配線溝を形成し、その後、当該配線溝に第１バリアメタルＡ０６１０及び第１バリアメタルＢ０６２１（例えば、ＴａＮ／Ｔａ、膜厚５ｎｍ／５ｎｍ）を介して第１配線Ａ０６０７及び第１配線Ｂ０６２２（例えば、Ｃｕ）を埋め込む。層間絶縁膜０６１３は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。第１配線Ａ０６０７及び第１配線Ｂ０６２２は、例えば、ＰＶＤ法によって第１バリアメタルＡ０６１０及び第１バリアメタルＢ０６２１（例えば、ＴａＮ／Ｔａの積層膜）を形成し、ＰＶＤ法によるＣｕシードの形成後、電解めっき法によってＣｕを配線溝内に埋設し、２００℃以上の温度で熱処理処理後、ＣＭＰ法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の銅配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。ここで、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウエハ表面の凹凸を、研磨液をウエハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。配線溝に埋め込まれた余剰の銅を研磨することによって埋め込み配線（ダマシン配線）を形成したり、層間絶縁膜０６１３を研磨することで平坦化を行う。【０１９０】
（工程２）
第１配線Ａ０６０７及び第１配線Ｂ０６２２の表面、層間絶縁膜０６１３上にバリア絶縁膜０６０５（例えば、ＳｉＮ、膜厚３０ｎｍ）を形成する。ここで、バリア絶縁膜０６０５は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。バリア絶縁膜０６０５の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。バリア絶縁膜０６０５上にハードマスク０６２５（例えば、ＳｉＯ2）を形成する。このとき、ハードマスク０６２５は、ドライエッチング加工におけるエッチング選択比を大きく保つ観点から、バリア絶縁膜０６０５とは異なる材料であることが好ましく、絶縁膜であっても導電膜であってもよい。ハードマスク０６２５には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮ等を用いることができ、ＳｉＣＮ／ＳｉＯ2の積層体を用いることができる。【０１９１】
（工程３）
ハードマスク０６２５上にフォトレジスト（図示せず）を用いて、第１配線Ａ０６０７の上のみに開口部をパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングすることによりハードマスク０６２５に開口部パターンを形成し、その後、酸素プラズマアッシング等によってフォトレジストを剥離する。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜０６０５の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜０６０５の内部にまで到達していてもよい。【０１９２】
（工程４）
ハードマスク０６２５をエッチングマスクとして、ハードマスク０６２５の開口部から露出するバリア絶縁膜０６０５をエッチバック（ドライエッチング）することにより、バリア絶縁膜０６０５に開口部を形成する。バリア絶縁膜０６０５の開口部に第１配線Ａ０６０７を露出させ、その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで、第１配線Ａ０６０７の露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する。バリア絶縁膜０６０５のエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜０６０５の開口部の壁面をテーパ面とすることができる。反応性ドライエッチングでは、エッチングガスとしてフルオロカーボンを含むガスを用いることができる。ハードマスク０６２５は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場にはそのまま残存してもよい。また、バリア絶縁膜０６０５の開口部の形状は円形とし、円の直径は３０ｎｍから５００ｎｍとすることができる。非反応性ガスを用いたＲＦ（Radio Frequency；高周波）エッチングによって、第１配線０６０７の表面の酸化物を除去する。非反応性ガスとしては、ヘリウムやアルゴンを用いることができる。【０１９３】
（工程５）
開口したバリア絶縁膜０６０５の上に第２金属膜０６０９（例えば、Ｒｕ１０ｎｍ）、バリア絶縁膜０６０３（例えばＳｉＣＮ膜、膜厚１０ｎｍ）、第１金属膜０６０８（例えば、Ｒｕ１０ｎｍとＴａ１０ｎｍをこの順番で堆積する）を順に堆積する。さらに、ハードマスク０６１８（例えば、ＳｉＮ膜、膜厚３０ｎｍ）、およびハードマスク０６２６（例えば、ＳｉＯ2膜、膜厚１００ｎｍ）をこの順に積層する。工程５において、ハードマスク０６１８、ハードマスク０６２６は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。また、工程５において、第１金属膜０６０８及び第２金属膜０６０９はスパッタ法によって形成する。さらに、ハードマスク０６２６をパターニングするためのフォトレジスト（図示せず）を形成し、その後、当該フォトレジストをマスクとして、ハードマスク０６１８が表れるまでハードマスク０６２６をドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。フォトレジスト・マスクの露光パターンにより、ハードマスク０６２６の平面形状（上面から見た形状）が円もしくは楕円になっている。もしくは、フォトレジスト・マスクの露光パターン自体は、長方形もしくは正方形とし、ハードマスク０６２６のエッチング加工時、サイド・エッチングによって、角部の除去を進め、結果として、ハードマスク０６２６の平面形状に曲率を持たせてもよい。【０１９４】
（工程６）
次に、ハードマスク０６２６をマスクとして、ハードマスク０６１８、第１金属膜０６０８、バリア絶縁膜０６０３、第２金属膜０６０９を連続的にドライエッチングし、第１電極０６０１および第２電極０６０２を形成する。このとき、ハードマスク０６２６は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、そのまま残存してもよい。工程６において、例えば、第１金属膜０６０８の上層がＴａの場合にはＣｌ2系のＲＩＥで加工することができ、第１金属膜０６０８の下層および第２金属膜がＲｕの場合にはＣｌ2／Ｏ2の混合ガスでＲＩＥ加工することができる。このようなハードマスクＲＩＥ法を用いることで、第１金属膜０６０８および第２金属膜０６０９を、レジスト除去のための酸素プラズマアッシングに曝すことなく、エッチング加工をすることができる。また、加工後に、ハードマスク０６２６のパターニングに用いたレジストを、酸素プラズマによって酸化処理する場合には、第１金属膜０６０８はハードマスク０６２６により被覆されている。レジストの剥離工程において、酸化プラズマを照射する際、その照射時間が長くなっても、ハードマスク０６２６により被覆されている第１金属膜０６０８の酸化は生じない。工程６では、ハードマスク０６１８、第１金属膜０６０８、バリア絶縁膜０６０３、第２金属膜０６０９の平面形状が曲率を有するように、エッチングレシピを調整してもよい。【０１９５】
（工程７）
次に、ハードマスク０６１８、第１電極０６０１、バリア絶縁膜０６０３、第２電極０６０２、バリア絶縁膜０６０５に接するように保護絶縁膜０６２３（例えば、ＳｉＣＮ膜、３０ｎｍ）、ハードマスク０６２７（例えば、ＳｉＯ２膜、５０ｎｍ）を堆積する。工程７において、保護絶縁膜０６２３及びハードマスク０６２７は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。さらに、ハードマスク０６２７をパターニングするためのフォトレジスト（図示せず）を形成し、その後、ハードマスク０６２７をドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。【０１９６】
（工程８）
ハードマスク０６２７をマスクとして、ハードマスク０６２７の開口部から露出するバリア絶縁膜０６０５をエッチバック（ドライエッチング）することにより、バリア絶縁膜０６０５に開口部を形成して、バリア絶縁膜０６０５の開口部から第１配線Ｂ０６２２を露出させ、その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで、第１配線Ｂ０６２２の露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する。この時、ハードマスク０６２７の開口部は第１電極０６０１及び第２電極０６０２が形成されている第１金属膜０６０８及び第２金属膜０６０９の側面、バリア絶縁膜０６０３の側面、ハードマスク０６１８の側面より第１配線Ａ０６０７側となっており、エッチバックの際にハードマスク０６１８及び第１金属膜０６０８がハードマスクとなることで、バリア絶縁膜０６０５の開口部の側面はセルフアラインで第１電極０６０１及び第２電極０６０２に揃う。バリア絶縁膜０６０５のエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜０６０５の開口部の壁面をテーパ面とすることができる。反応性ドライエッチングでは、エッチングガスとしてフルオロカーボンを含むガスを用いることができる。ハードマスク０６２７は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場にはそのまま残存してもよい。また、バリア絶縁膜０６０５の開口部の形状は曲率を有しており、開口部の平面方向の最大の長さは３０ｎｍから５００ｎｍとする。さらに、非反応性ガスを用いたＲＦ（Radio Frequency；高周波）エッチングによって、第１配線０６０７の表面の酸化物を除去する。非反応性ガスとしては、ヘリウムやアルゴンを用いることができる。【０１９７】
（工程９）
次に、保護絶縁膜０６２３、ハードマスク０６１８、第１電極０６０１、バリア絶縁膜０６０５、第２電極０６０２、バリア絶縁膜０６０３、第１配線Ｂ０６２２に接するようにイオン伝導層０６０４としてシリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系イオン伝導層をＣＶＤ法で２０ｎｍから８０ｎｍ程度形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。温度は２５０℃〜３５０℃程度が好ましい。次に、イオン伝導層０６０４上にバリア絶縁膜０６１４としてＳｉＮもしくはＳｉＣＮを３０ｎｍの膜厚で形成する。工程９において、バリア絶縁膜０６１４は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。例えば、ＳｉＨ4／Ｎ2の混合ガスを高密度プラズマによって形成したＳｉＮ膜などを用いることが好ましい。３端子スイッチ素子０６２０以外の領域にもイオン伝導層０６０４が残るが、絶縁膜として機能するため、３端子スイッチの動作および多層配線に影響はない。工程９では、バリア絶縁膜０６１４の上に層間絶縁膜０６１５としてＳｉＯ2を３００ｎｍ成膜する。さらに、３端子スイッチ０６２０によって生じた段差を解消するため、層間絶縁膜０６１５を１７０ｎｍ程度ＣＭＰ法にて研磨することで平坦にする。層間絶縁膜０６１５は３端子スイッチ素子０６２０の段差を確実に埋めるために、高密度プラズマを使用してＳｉＯ2を成膜することが望ましい。【０１９８】
（工程１０）
次に、層間絶縁膜０６１５の上に層間絶縁膜０６１６（例えば、比誘電率の低いＳｉＯＣ、ＳｉＯ2の積層）を堆積し、その後、プラグ０６０６用の下穴および第２配線０６１２用の配線溝をドライエッチングによって形成し、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝及び当該下穴内に第２バリアメタル０６１１（例えば、ＴａＮ／Ｔａ）を介して第２配線０６１２（例えば、Ｃｕ）及びプラグ０６０６（例えば、Ｃｕ）を同時に形成し、その後、第２配線０６１２を含む層間絶縁膜０６１６上にバリア絶縁膜０６１７（例えば、ＳｉＣＮ膜）を堆積する。工程１０において、第２配線０６１２およびプラグ０６０６の形成は、例えば、ＰＶＤ法によって第２バリアメタル０６１１（例えば、ＴａＮ／Ｔａの積層膜）を形成し、ＰＶＤ法によるＣｕシードの形成後、電解めっき法によって銅を配線溝内に埋設し、２００℃以上の温度で熱処理処理後、ＣＭＰ法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の銅配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。工程１０では、第２バリアメタル０６１１と第１金属膜０６０８の上層を同一材料とすることでプラグ０６０６と第１金属膜０６０８の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上（ＯＮ状態時の３端子スイッチの抵抗を低減）させることができるようになる。また、工程１０において、層間絶縁膜０６１６及びバリア絶縁膜０６１７はプラズマＣＶＤ法で形成することができる。工程１０ではプラグ０６０６の下穴を形成する際、第１金属膜０６０８の上層に到達しており、第１金属膜０６０８の上層の材料がエッチングストッパ材料として機能する。プラグ０６０６用の下穴および第２配線０６１２用の配線溝のドライエッチングには、フルオロカーボン系のガスを用いる。【０１９９】
（第二の実施態様）
本発明の第二の実施形態にかかる、第二の実施態様の３端子スイッチング素子について説明する。【０２００】
該第二の実施態様の３端子スイッチング素子は、半導体装置に設ける多層配線層内部に形成されている。図７に、半導体装置に設ける多層配線層内部に形成されている、該第二の実施態様の３端子スイッチング素子０７２０の構造を示す。【０２０１】
半導体装置に設ける多層配線層の内部に、３端子スイッチ０７２０が形成されている。多層配線層は、第１電極０７０１を構成する第１金属膜０７０８と電気的に接続されたプラグ０７０６、および第２電極０７０２を構成する第２金属膜０７０９に接続された第１配線Ａ０７０７を備え、イオン伝導層０７０４は第１電極０７０１および第２電極０７０２に接しており、第１金属膜０７０８と第２金属膜０７０９との間にバリア絶縁膜０７０３を備え、イオン伝導層０７０４と層間絶縁膜０７１５の間はバリア絶縁膜０７１４が存在する。また、プラグ０７０６は第２配線０７１２に接続している。さらに、第１配線Ｂ０７２２は第３電極を兼ね、バリア絶縁膜０７０５の開口部でイオン伝導層０７０４と接している。【０２０２】
多層配線層は、半導体基板０７１９上にて、層間絶縁膜０７１３、バリア絶縁膜０７０５、イオン伝導層０７０４、バリア絶縁膜０７１４、層間絶縁膜０７１５、層間絶縁膜０７１６、及びバリア絶縁膜０７１７の順に積層した絶縁積層体を有する。【０２０３】
層間絶縁膜０７１６に形成された配線溝に第２配線０７１２が埋め込まれており、層間絶縁膜０７１５、バリア絶縁膜０７１４、イオン伝導層０７０４及びハードマスク０７１８に形成された下穴にプラグ０７０６が埋め込まれており、第２配線０７１２とプラグ０７０６がそれぞれ一体となっており、第２配線０７２０およびプラグ０７０６の側面及び底面が第２バリアメタル０７１１によって覆われている。【０２０４】
開口されたバリア絶縁膜０７０５上に、加工された第２電極０７０２を構成する第２金属膜０７０９、バリア絶縁膜０７０３、第１電極０７０１を構成している第１金属膜０７０８、ハードマスク０７１８、別の開口されたバリア絶縁膜０７０５の下に第３電極を兼ねた第１配線Ｂ０７２２があり、ハードマスク０７１８の上面と、第１金属膜０７０８、バリア絶縁膜０７０３、第２金属膜０７０９、バリア絶縁膜０７２３の側面、及び、第１配線Ｂ０７２２の上面を覆うように、イオン伝導層０７０４が形成されており、その上にバリア絶縁膜０７１４が形成されている。第３電極を兼ねた第１配線Ｂ０７２２はバリア絶縁膜０７２３によって第１電極０７０１を兼ねる第１金属膜０７０８と電気的に分離されている。【０２０５】
第１電極０７０１を構成する第１金属膜０７０８がプラグ０７０６と第２バリアメタル０７１１を介して電気的に接続されている。また、第２電極０７０２を構成する第２金属膜０７０９は、バリア絶縁膜０７０５に開口された開口部を介して第１配線Ａ０７０７及び第１バリアメタルＡ０７１０と電気的に接続されている。また、第３電極は第１配線Ｂ０７２２が兼ねている。【０２０６】
第１電極０７０１を構成する第１金属膜０７０８は２層構造となっており、プラグ０７０６に接する面（上層）は第２バリアメタル０７１１と同じ材料を用いる。このようにすることで、プラグ０７０６の第２バリアメタル０７１１と３端子スイッチ０７２０の第１電極０７０１を構成する第１金属膜０７０８の上層とが一体化し、接触抵抗を低減し、かつ、密着性の向上による信頼性の向上を実現することができる。【０２０７】
半導体基板０７１９は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板０７１９には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。【０２０８】
層間絶縁膜０７１３は、半導体基板０７１９上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜０７１３には、例えば、ＳｉＯ2、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。層間絶縁膜０７１３は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜０７１３には、第１配線Ａ０７０７及び第１配線Ｂ０７２２を埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第１バリアメタルＡ０７１０を介して第１配線Ａ０７０７が、第１バリアメタルＢ０７２１を介して第１配線層Ｂ０７２２が埋め込まれている。【０２０９】
第１配線Ａ０７０７及び第１配線Ｂ０７２２は、層間絶縁膜０７１３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ０７１０及び第１バリアメタルＢ０７２１を介して埋め込まれた配線である。第１配線Ａ０７０７は、第２電極０７０２を形成する第２金属膜０７０９と直接接している。第１配線Ｂ０７２２はイオン伝導層０７０４と直接接している。第１配線Ａ０７０７及び第１配線Ｂ０７２２はＣｕで構成されているが、Ａｌと合金化されていてもよい。第１配線Ｂ０７２２は３端子イオン伝導層０７０４中にＣｕイオンを供給する第３電極として機能する。【０２１０】
第１バリアメタルＡ０７１０及び第１バリアメタルＢ０７２１は、第１配線Ａ０７０７及び第１配線Ｂ０７２２を構成する金属が層間絶縁膜０７１３や下層へ拡散することを防止するために、配線の側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタルＡ０７１０及び第１バリアメタルＢ０７２１には、例えば、第１配線Ａ０７０７及び第１配線Ｂ０７２２がＣｕを主成分とする金属材料からなる場合には、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。【０２１１】
バリア絶縁膜０７０５は、第１配線Ａ０７０７及び第１配線Ｂ０７２２の表面、層間絶縁膜０７１３上に形成され、第１配線Ａ０７０７及び第１配線Ｂ０７２２を構成する金属（例えば、Ｃｕ）の酸化を防いだり、イオン伝導層０７０４中への第１配線Ａ０７０７及び第１配線Ｂ０７２２を構成する金属の拡散を防ぐ役割を有する。バリア絶縁膜０７０５には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【０２１２】
バリア絶縁膜０７０５は、第１配線Ａ０７０７及び第１配線Ｂ０７２２上にて開口部を有する。バリア絶縁膜０７０５の開口部においては、第１配線Ａ０７０７と第２電極０７０２を構成する第２金属膜０７０９が接し、第１配線Ｂ０７２２とイオン伝導層０７０４が接している。バリア絶縁膜０７０５の開口部は、第１配線Ａ０７０７及び第１配線Ｂ０７２２、それぞれの領域内に形成されている。バリア絶縁膜０７０５の開口部の壁面は、第１配線Ａ０７０７及び第１配線Ｂ０７２２から離れるにしたがい広くなったテーパ面となっている。バリア絶縁膜０７１０の開口部壁面のテーパ角θtaperは、第１配線０２０７の上面に対し、８５°以下（θtaper≦８５°）に設定されている。【０２１３】
第２電極０７０２および第１電極０７０１は、３端子スイッチ０７２０において信号を伝達する電極であり、イオン伝導層０７０４と直接接している。第２電極０７０２を構成する第２金属膜０７０９はイオン化しにくく、イオン伝導層０７０４に拡散もしくは伝導しにくい金属が用いられる。例えば、Ｐｔ、Ｒｕ等を用いることができる。第２電極０７０２は第２金属膜０７０９の側壁部である。第１電極０７０１を構成する第１金属膜０７０８は、異なる金属の２層で構成される。第１電極０７０１は第１金属膜０７０８の側壁部である。バリア絶縁膜０７０３およびイオン伝導層０７０４に接する下層はイオン化しにくく、イオン伝導層０７０４に拡散もしくは伝導しにくい金属が用いられる。例えば、Ｐｔ、Ｒｕ等を用いることができる。また、第１電極０７０１を構成する第１金属膜０７０８の上層は、ハードマスク０７１８およびイオン伝導層０７０４に接する。第１金属膜０７０８の上層は、下層を保護する役割を有する。すなわち、上層が下層を保護することで、プロセス中の下層へのダメージを抑制し、３端子スイッチ０７２０のスイッチング特性を維持することができる。この上層には、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｌあるいはそれらの窒化物等を用いることができる。第１金属膜０７０７の上層は、第２バリアメタル０７１１を介してプラグ０７０６と電気的に接続されている。【０２１４】
バリア絶縁膜０７２３は、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０７２２と第２電極０７０２を構成する第２金属膜０７０９に挟まれて設けられている。バリア絶縁膜０７２３は第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０７２２と第２電極０７０２を構成する第２金属膜０７０９が短絡しないように、両者を絶縁する役割を有する。バリア絶縁膜０７２３には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【０２１５】
バリア絶縁膜０７０３は、第１電極０７０１を構成する第１金属膜０７０８と第２電極０７０２を構成する第２金属膜０７０９に挟まれて設けられている。バリア絶縁膜０７０３は第１電極０７０１を構成する第１金属膜０７０８と第２電極０７０２を構成する第２金属膜０７０９が短絡しないように、両者を絶縁する役割を有する。バリア絶縁膜０７０３には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【０２１６】
イオン伝導層０７０４は、金属イオン（Ｃｕイオン）が電界で移動可能な膜である。イオン伝導層０７０４は、イオン伝導層が含む金属の作用（拡散、イオン伝動など）により抵抗が変化する材料を用いることができる。３端子スイッチ０７２０の抵抗変化を、金属架橋の形成・消滅によって行う場合には、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０７２２より供給される金属イオンが、イオン伝導可能な膜が用いられる。金属イオンは、Ｃｕイオンとして、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０７２２より供給される。バリア絶縁膜０７１４には、プラグ０７１４を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタル０７１１を介してプラグ０７０６が埋め込まれている。【０２１７】
イオン伝導層０７０４の作製に利用可能な材料候補の一つは、カルコゲナイドのＧｅＳｂＴｅで、相変化素子において、相変化層の材料として使用される。曲率を有する三層構造の側面に、ＧｅＳｂＴｅからなるイオン伝導層０７０４を形成する手段として、ＧｅＳｂＴｅの焼結ターゲットを用いてスパッタ成膜する方法がある。具体的には、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5ターゲットを用いて、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5からなる膜の成膜を行う。【０２１８】
イオン伝導層０７０４の作製に利用可能な材料候補の他の一つは、シリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系材料であり、プラズマＣＶＤ法によって形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料（環状有機シロキサン）蒸気の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。【０２１９】
ハードマスク０７１８は、第１電極０７０１を構成する第１金属膜０７０８、バリア絶縁膜０７０３、第２電極０７０２を構成する第２金属膜０７０９をエッチングする際のハードマスクとなる膜である。ハードマスク０７１８には、例えば、ＳｉＮ膜やＳｉＯ2膜、もしくはこれらの積層を用いることができる。【０２２０】
バリア絶縁膜０７１４は、３端子スイッチ０７２０にダメージを与えることなく、さらにイオン伝導層０７０４に含まれる酸素および金属の脱離、拡散を防ぐ機能を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜０７１４には、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜等を用いることができる。バリア絶縁膜０７１４は、バリア絶縁膜０７０５と同一材料であることが好ましい。バリア絶縁膜０７１４には、プラグ０７０６を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタル０７１１を介してプラグ０７０６が埋め込まれている。【０２２１】
層間絶縁膜０７１５は、バリア絶縁膜０７１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜０７１５には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯＣ膜などを用いることができる。層間絶縁膜０７１５は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜０７１５は、層間絶縁膜０７１３、０７１６と同一材料としてもよい。層間絶縁膜０７１５には、プラグ０７０６を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタル０７１１を介してプラグ０７０６が埋め込まれている。【０２２２】
層間絶縁膜０７１６は、層間絶縁膜０７１５上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜０７１６には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯ2よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）などを用いることができる。層間絶縁膜０７１６は、層間絶縁膜０７１５、層間絶縁膜０７１３と同一材料としてもよい。また、層間絶縁膜０７１６と層間絶縁膜０７１５を異なる絶縁材料を用いて作製し、そのエッチング特性に有意な差異を設けることもできる。層間絶縁膜０７１６は、層間絶縁膜０７１５、０７１３と同一材料としてもよい。層間絶縁膜０７１６には、第２配線０７１２埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第２バリアメタル０７１１を介して第２配線０７１２が埋め込まれている。【０２２３】
第２配線０７１２は、層間絶縁膜０７１６に形成された配線溝に第２バリアメタル０７１１を介して埋め込まれた配線である。第２配線０７１２は、プラグ０７０６と一体になっている。プラグ０７０６は、層間絶縁膜０７１５、バリア絶縁膜０７１４、及びハードマスク０７１８に形成された下穴に第２バリアメタル０７１１を介して埋め込まれている。プラグ０７０６は、第２バリアメタル０７１１を介して第１電極０７０１を構成する第１金属膜０７０８と電気的に接続されている。第２配線０７１２及びプラグ０７０６には、例えば、Ｃｕを用いることができる。【０２２４】
第２バリアメタル０７１１は、第２配線０７１２（プラグ０７０６を含む）を構成する金属が層間絶縁膜０７１６や０７１５や下層へ拡散することを防止するために、第２配線０７１２及びプラグ０７０６の側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。第２バリアメタル０７１２には、例えば、第２配線０７１２及びプラグ０７０６がＣｕを主成分とする金属元素からなる場合には、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＣＮのような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。【０２２５】
バリア絶縁膜０７１７は、第２配線０７１２を含む層間絶縁膜０７１６上に形成され、第２配線０７１７を構成する金属（例えば、Ｃｕ）の酸化を防いだり、上層への第２配線０７１２を構成する金属の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜０７１７には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【０２２６】
（スイッチング動作）
図７に示す、第二の実施態様の３端子スイッチのスイッチング動作時の駆動方法を説明する。【０２２７】
（ａ）ＯＮ動作（ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移過程）
まず、第２電極０７０２を第２電極０７０２と電気的に接続されている第２金属膜０７０９を第１配線０７０７を介して、第１電極０７０１を第１電極０７０１と電気的に接続されている第１金属膜０７０８、プラグ０７０６、第２配線０７１２を介して、それぞれ接地する。さらに、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０７２２に正電圧（＋ＶON＞０Ｖ）を印加すると、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０７２２から金属イオン（Ｃｕイオン）がイオン伝導層０７０４中へ拡散し、第１電極０７０１及び第２電極０７０２側にマイグレーションする。マイグレーションした金属イオンは、第１電極０７０１及び第２電極０７０２より電子を受け取り、電気化学反応によって金属架橋０７２４が析出する。これによって第１電極０７０１と第２電極０７０２の間の抵抗値が低抵抗となり、ＯＮ状態となる。【０２２８】
ＯＮ状態への遷移は、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０７２２を接地して、第１電極０７０１及び第２電極０７０２に負電圧（−ＶON＜０Ｖ）を印加しても良い。【０２２９】
（ｂ）ＯＦＦ動作（ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移過程）
第２電極０７０２を第２電極０７０２と電気的に接続されている第２金属膜０７０９を第１配線０７０７を介して、第１電極０７０１を第１電極０７０１と電気的に接続されている第１金属膜０７０８、プラグ０７０６、第２配線０７１２を介して、それぞれ接地する。第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０７２２に負電圧（−ＶOFF＜０Ｖ）を印加すると、金属架橋０７２１の溶解反応が進行し、金属架橋０７２４は金属イオン（Ｃｕイオン）となって、イオン伝導層０７０４中に分散する。これによって、第１電極０７０１と第２電極０７０２の間の抵抗値が高抵抗となり、ＯＦＦ状態に遷移する。【０２３０】
ＯＦＦ状態への遷移は、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０７２２を接地して、第１電極０７０１及び第２電極０７０２に正電圧（＋ＶOFF＞０Ｖ）を印加しても良い。【０２３１】
第１電極０７０１と第２電極０７０２の側面形状が曲率を有することで、ＯＮ状態とＯＦＦ状態へのスイッチング時、スイッチング電圧を印加すると、該曲率部分に電界が集中し、安定かつバラツキが小さいスイッチング動作が得られる。【０２３２】
（製造プロセス）
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子を具えてなる半導体装置において、図７に示す、第二の実施態様の３端子スイッチング素子を、前記抵抗変化型不揮発性スイッチング素子として作製する際の製造プロセスを説明する。図８−１と図８−２が、第二の実施態様の３端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図である。図８−１は、該製造工程中、工程１〜工程６を示す図であり、図８−２は、該製造工程中、工程７〜工程１０を示す図である。【０２３３】
（工程１）
半導体基板０８１９（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜０８１３（例えば、膜厚３００ｎｍのＳｉＯ2、膜厚１５０ｎｍのＳｉＯＣＨ、膜厚１００ｎｍのＳｉＯ2）を堆積し、その後、リソグラフィ法（フォトレジスト形成、ドライエッチング、フォトレジスト除去を含む）を用いて、層間絶縁膜０８１３に配線溝を形成し、その後、当該配線溝に第１バリアメタルＡ０８１０及び第１バリアメタルＢ０８２１（例えば、ＴａＮ／Ｔａ、膜厚５ｎｍ／５ｎｍ）を介して第１配線Ａ０８０７及び第１配線Ｂ０９２２（例えば、Ｃｕ）を埋め込む。層間絶縁膜０８１３は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。第１配線Ａ０８０７及び第１配線Ｂ０８２２は、例えば、ＰＶＤ法によって第１バリアメタルＡ０８１０及び第１バリアメタルＢ（例えば、ＴａＮ／Ｔａの積層膜）を形成し、ＰＶＤ法によるＣｕシードの形成後、電解めっき法によってＣｕを配線溝内に埋設し、２００℃以上の温度で熱処理処理後、ＣＭＰ法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の銅配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。ここで、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウエハ表面の凹凸を、研磨液をウエハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。配線溝に埋め込まれた余剰の銅を研磨することによって埋め込み配線（ダマシン配線）を形成したり、層間絶縁膜０８１３を研磨することで平坦化を行う。【０２３４】
（工程２）
第１配線Ａ０８０７及び第１配線Ｂ０８２２の上面、層間絶縁膜０９１３上にバリア絶縁膜０８０５（例えば、ＳｉＮ、膜厚３０ｎｍ）を形成する。ここで、バリア絶縁膜０８０５は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。バリア絶縁膜０８０５の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。バリア絶縁膜０８０５上にハードマスク０８２５（例えば、ＳｉＯ2）を形成する。このとき、ハードマスク０８２５は、ドライエッチング加工におけるエッチング選択比を大きく保つ観点から、バリア絶縁膜０８０５とは異なる材料であることが好ましく、絶縁膜であっても導電膜であってもよい。ハードマスク０８２５には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮ等を用いることができ、ＳｉＣＮ／ＳｉＯ2の積層体を用いることができる。【０２３５】
（工程３）
ハードマスク０８２５上にフォトレジスト（図示せず）を用いて第１配線Ｂ０８２２の上のみに開口部をパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングすることによりハードマスク０８２５に開口部パターンを形成し、その後、酸素プラズマアッシング等によってフォトレジストを剥離する。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜０８０５の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜０８０５の内部にまで到達していてもよい。【０２３６】
ハードマスク０８２５をマスクとして、ハードマスク０８２５の開口部から露出するバリア絶縁膜０８０５をエッチバック（ドライエッチング）することにより、バリア絶縁膜０８０５に開口部を形成して、バリア絶縁膜０８０５の開口部から第１配線Ｂ０８２２を露出させ、その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで、第１配線Ｂ０８２２の露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する。バリア絶縁膜０８０５のエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜０８０５の開口部の壁面をテーパ面とすることができる。反応性ドライエッチングでは、エッチングガスとしてフルオロカーボンを含むガスを用いることができる。ハードマスク０８２５は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場にはそのまま残存してもよい。また、バリア絶縁膜０８０５の開口部の形状は円形とし、円の直径は３０ｎｍから５００ｎｍとすることができる。非反応性ガスを用いたＲＦ（Radio Frequency；高周波）エッチングによって、第１配線Ｂ０８２２の表面の酸化物を除去する。非反応性ガスとしては、ヘリウムやアルゴンを用いることができる。【０２３７】
（工程４）
開口したバリア絶縁膜０８２３および第１配線Ｂ０８２２上に１０ｎｍ程度のバリア絶縁膜０８２３を成膜する。バリア絶縁膜０８２３にはＳｉＣ膜もしくはＳｉＣＮ膜を用いることができる。【０２３８】
（工程５）
バリア絶縁膜０８２３上にハードマスク０８２６（例えば、ＳｉＯ2）を形成する。このとき、ハードマスク０８２６は、ドライエッチング加工におけるエッチング選択比を大きく保つ観点から、バリア絶縁膜０８２３とは異なる材料であることが好ましく、絶縁膜であっても導電膜であってもよい。ハードマスク０８２６には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮ等を用いることができ、ＳｉＣＮ／ＳｉＯ2の積層体を用いることができる。【０２３９】
（工程６）
ハードマスク０８２５上にフォトレジスト（図示せず）を用いて第１配線Ａ０８０７の上のみに開口部をパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングすることによりハードマスク０８２６に開口部パターンを形成し、その後、酸素プラズマアッシング等によってフォトレジストを剥離する。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜０８２３の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜０８２３およびバリア絶縁膜０８０５の内部にまで到達していてもよい。【０２４０】
ハードマスク０８２６をマスクとして、ハードマスク０８２６の開口部から露出するバリア絶縁膜０８２３およびバリア絶縁膜０８０５をエッチバック（ドライエッチング）することにより、バリア絶縁膜０８２３およびバリア絶縁膜０８０５に開口部を形成して、バリア絶縁膜０８２３およびバリア絶縁膜０８０５の開口部から第１配線Ａ０８０７を露出させ、その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで、第１配線Ａ０８０７の露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する。バリア絶縁膜０８２３およびバリア絶縁膜０８０５のエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜０８２３およびバリア絶縁膜０８０５の開口部の壁面をテーパ面とすることができる。反応性ドライエッチングでは、エッチングガスとしてフルオロカーボンを含むガスを用いることができる。ハードマスク０８２５は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場にはそのまま残存してもよい。また、バリア絶縁膜０８２３およびバリア絶縁膜０８０５の開口部の形状は円形とし、円の直径は３０ｎｍから５００ｎｍとすることができる。非反応性ガスを用いたＲＦ（Radio Frequency；高周波）エッチングによって、第１配線Ａ０８０７の表面の酸化物を除去する。非反応性ガスとしては、ヘリウムやアルゴンを用いることができる。【０２４１】
（工程７）
開口されたバリア絶縁膜０８２３および第1配線Ａ０８０７の上に第２金属膜０８０９（例えば、Ｒｕ３ｎｍとＴａ５ｎｍをこの順番で堆積する），バリア絶縁膜０８０３（例えばＳｉＮ膜、膜厚５ｎｍ〜１０ｎｍ）、第１金属膜０８０８（例えば、Ｔａ３ｎｍ、Ｒｕ５ｎｍとＴａ２５ｎｍをこの順番で堆積する）を順に堆積する。さらに、ハードマスク０８１８（例えば、ＳｉＮ膜、膜厚３０ｎｍ）、およびハードマスク０８２７（例えば、ＳｉＯ2膜、膜厚１００ｎｍ）をこの順に積層する。工程７において、ハードマスク０８１８、０８２７は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。また、工程７において、第１金属膜０８０８及び第２金属膜０８０９はスパッタ法によって形成する。さらに、ハードマスク０８２７をパターニングするためのフォトレジスト（図示せず）を形成し、その後、当該フォトレジストをマスクとして、ハードマスク０８１８が表れるまでハードマスク０８２６をドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。フォトレジスト・マスクの露光パターンにより、ハードマスク１１０９の平面形状（上面から見た形状）が円もしくは楕円になっている。もしくは、フォトレジスト・マスクの露光パターン自体は、長方形もしくは正方形とし、ハードマスク０８２７のエッチング加工時、サイド・エッチングによって、角部の除去を進め、結果として、ハードマスク０８２７の平面形状に曲率を持たせてもよい。【０２４２】
（工程８）
次に、ハードマスク０８２７をマスクとして、ハードマスク０８１８、第１金属膜０８０８、バリア絶縁膜０８０３、第２金属膜０８０９、バリア絶縁膜０８２３を連続的にドライエッチングし、第１電極０８０１および第２電極０８０２を形成し、第１配線Ａ０８０７を露出させる。このとき、ハードマスク０８２７は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、そのまま残存してもよい。工程８において、第１金属膜０８０８および第２金属膜０８０９のＴａ膜はＣｌ2系のＲＩＥで加工することができ、Ｒｕ膜はＣｌ2／Ｏ2の混合ガスでＲＩＥ加工することができる。このようなハードマスクＲＩＥ法を用いることで、第１金属膜０８０８および第２金属膜０８０９を、レジスト除去のための酸素プラズマアッシングに曝すことなく、エッチング加工をすることができる。また、加工後に、ハードマスク０８２７のパターニングに用いたレジストを、酸素プラズマによって酸化処理する場合には、第１金属膜０８０８はハードマスク０８２７により被覆されている。レジストの剥離工程において、酸化プラズマを照射する際、その照射時間が長くなっても、ハードマスク０８２７により被覆されている第１金属膜０８０８の酸化は生じない。【０２４３】
また、バリア絶縁膜０８２３を加工する際は、フルオロカーボン系のガス（例えば、ＣＦ4）を用いてエッチングする。工程７では、ハードマスク０８１８、第１金属膜０８０８、バリア絶縁膜０８０３、第２金属膜０８０９、バリア絶縁膜０８２３の平面形状が、曲率を有するようにエッチングレシピを調整してもよい。【０２４４】
（工程９）
次に、保護絶縁膜０８２３、ハードマスク０８１８、第１電極０８０１、バリア絶縁膜０８０５、第２電極０８０２、バリア絶縁膜０８０３、バリア絶縁膜０８２３、第１配線Ｂ０８２２に接するようにイオン伝導層０８０４として、シリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系イオン伝導性材料をＣＶＤ法で２０ｎｍから８０ｎｍ程度形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。温度は２５０℃〜３５０℃程度が好ましい。次に、イオン伝導層０８０４上にバリア絶縁膜０８１４としてＳｉＮもしくはＳｉＣＮを３０ｎｍの膜厚で形成する。工程９において、バリア絶縁膜０８１４は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。例えば、ＳｉＨ4／Ｎ2の混合ガスを高密度プラズマによって形成したＳｉＮ膜などを用いることが好ましい。３端子スイッチ素子０８２０以外の領域にもイオン伝導層０８０４が残るが、絶縁膜として機能するため、３端子スイッチの動作および多層配線に影響はない。工程９では、バリア絶縁膜０８１４の上に層間絶縁膜０８１５としてＳｉＯ2を３００ｎｍ成膜する。さらに、３端子スイッチ０８２０によって生じた段差を解消するため、層間絶縁膜０８１５を１７０ｎｍ程度ＣＭＰ法にて研磨することで平坦にする。層間絶縁膜０８１５は３端子スイッチ素子０８２０の段差を確実に埋めるために、高密度プラズマを使用してＳｉＯ2を成膜することが望ましい。【０２４５】
（工程１０）
次に、層間絶縁膜０８１５の上に層間絶縁膜０８１６（例えば、比誘電率の低いＳｉＯＣ、ＳｉＯ2の積層）を堆積し、その後、プラグ０８０６用の下穴および第２配線０８１２用の配線溝をドライエッチングによって形成し、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝及び当該下穴内に第２バリアメタル０８１１（例えば、ＴａＮ／Ｔａ）を介して第２配線０８１２（例えば、Ｃｕ）及びプラグ０８０６（例えば、Ｃｕ）を同時に形成し、その後、第２配線０８１２を含む層間絶縁膜０８１６上にバリア絶縁膜０８１７（例えば、ＳｉＣＮ膜）を堆積する。工程１０において、第２配線０８１２およびプラグ０８０６の形成は、例えば、ＰＶＤ法によって第２バリアメタル０８１１（例えば、ＴａＮ／Ｔａの積層膜）を形成し、ＰＶＤ法によるＣｕシードの形成後、電解めっき法によって銅を配線溝内に埋設し、２００℃以上の温度で熱処理処理後、ＣＭＰ法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の銅配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。工程１０では、第２バリアメタル０８１１と第１金属膜０８０８の上層を同一材料とすることで、プラグ０８０６と第１金属膜０８０８の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上（ＯＮ状態時の３端子スイッチの抵抗を低減）させることができるようになる。また、工程１０において、層間絶縁膜０８１６及びバリア絶縁膜０８１７はプラズマＣＶＤ法で形成することができる。工程１０ではプラグ０８０６の下穴を形成する際、第１金属膜０８０８の上層に到達しており、第１金属膜０８０８の上層の材料がエッチングストッパ材料として機能する。プラグ０８０６用の下穴および第２配線０８１２用の配線溝のドライエッチングには、フルオロカーボン系のガスを用いる。【０２４６】
（第三の実施形態）
本発明に係る金属架橋型スイッチング素子における、第三の実施形態は、下に説明する「３端子スイッチ」の構成を採用する、金属架橋型スイッチング素子である。【０２４７】
本発明の第三の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子で採用される、「３端子スイッチ」の構成を説明する。図９は、第三の実施形態の「３端子スイッチ」の構成の一例を模式的に示す断面図である。【０２４８】
図９に示すように、３端子スイッチは、プラグ０９０６に接続している第１金属膜０９０７と、第２電極を兼ねる第１配線Ａ０９０２と、第１金属膜０９０７の側面である第１電極０９０１と、第２電極を兼ねる第１配線Ａ０９０２、層間絶縁膜０９０３の側面に接したイオン伝導層０９０４と、イオン伝導層０９０４に接した第３電極を兼ねた第１配線Ｂ０９０８で形成されている。ＯＮに遷移する際に形成する金属架橋０９０５は第１電極０９０１と第２電極を兼ねる第１配線層Ｂ０９０８を繋ぐように形成される。また、イオン伝導層０９０４は金属のイオンが伝導するための媒体となる。【０２４９】
第１電極０９０１を構成する第１金属膜０９０７は、はタンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）が適しており、これらの積層でも良い。特にＲｕが好ましい。これらの金属はスパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ法を用いて形成する。【０２５０】
第１電極０９０１を構成する第１金属膜０９０７の平面形状は曲率を有している。そのため、第１電極０９０１も曲率を有する。【０２５１】
イオン伝導層０９０４はスパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ法を用いて形成する。イオン伝導層０９０４の材料としては、金属のイオンの伝導度の大きく、かつ、ＬＳＩ生産ラインにおいて加工可能な材料を選択する必要がある。【０２５２】
イオン伝導層０９０４の作製に利用可能な材料候補の一つは、カルコゲナイドのＧｅＳｂＴｅで、相変化素子において、相変化層の材料として使用される。曲率を有する積層構造の側面に、ＧｅＳｂＴｅからなるイオン伝導層０９０４を形成する手段として、ＧｅＳｂＴｅの焼結ターゲットを用いてスパッタ成膜する方法がある。具体的には、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5ターゲットを用いて、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5からなる膜の成膜を行う。【０２５３】
イオン伝導層０９０４の作製に利用可能な材料候補の他の一つは、シリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系材料であり、プラズマＣＶＤ法によって形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料（環状有機シロキサン）蒸気の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。【０２５４】
第２電極を兼ねる第１配線Ａ０９０２及び第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０９０８は、イオン伝導層０９０４に金属イオンを供給可能な金属で構成される。例えば、主金属はＣｕで、Ａｌなどとの合金でも良い。【０２５５】
（スイッチング動作）
図９に示す、第三の実施態様の３端子スイッチのスイッチング動作時の駆動方法を説明する。【０２５６】
（ａ）ＯＮ動作（ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移過程）
まず、第１電極０９０１及び第２電極を兼ねる第１配線Ａ０９０２を接地して、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０９０８に正電圧（＋ＶON＞０Ｖ）を印加すると第１配線Ｂ０９０８から金属イオンがイオン伝導層０９０４中へ拡散し、第１電極０９０１及び第１配線Ａ０９０２側にマイグレーションする。マイグレーションした金属イオンは第１電極０９０１及び第１配線Ａ０９０２より電子を受け取り、第１電極０９０１と第１配線Ａ０９０２間に電気力線に従って電気化学反応によって金属架橋０９０５が析出する。これによって第１電極０９０１と第１配線Ａ０９０２の間の抵抗値が低抵抗となり、オン状態となる。【０２５７】
ＯＮ状態への遷移は、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０９１０を接地して、第１電極０９０１及び第１配線Ａ０９０２に負電圧（−ＶON＜０Ｖ）を印加しても良い。【０２５８】
（ｂ）ＯＦＦ動作（ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移過程）
一方、第１電極０９０１及び第２電極を兼ねる第１配線Ａ０９０２を接地して、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０９０８に負電圧（−ＶOFF＜０Ｖ）を印加すると、金属架橋０９０５の溶解反応が進行し、金属架橋０９０５は金属イオンとなって、イオン伝導層０９０４中に分散する。これによって、第１電極０９０１と第１配線Ａ０９０２の間の抵抗値が高抵抗となり、ＯＦＦ状態に遷移する。【０２５９】
ＯＦＦ状態への遷移は、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ０７１０を接地して、第１電極０９０１及び第１配線Ａ０９０２に正電圧（＋ＶOFF＞０Ｖ）を印加しても良い。【０２６０】
第１電極０９０１の側面形状が曲率を有することで、ＯＮ状態とＯＦＦ状態へのスイッチング時、スイッチング電圧を印加すると、該曲率部分に電界が集中し、安定かつバラツキが小さい動作が得られる。【０２６１】
（第一の実施態様）
本発明の第三の実施形態にかかる、第一の実施態様の３端子スイッチング素子について説明する。【０２６２】
該第一の実施態様の３端子スイッチング素子は、半導体装置に設ける多層配線層内部に形成されている。図１０に、半導体装置に設ける多層配線層内部に形成されている、該第二の実施態様の３端子スイッチング素子１０２０の構造を示す。【０２６３】
半導体装置に設ける多層配線層の内部に、３端子スイッチ１０２０が形成されている。多層配線層は、第１電極１００１を構成する第１金属膜１００８と電気的に接続されたプラグ１００６、および第２電極１００２を構成する第１配線Ａ１００７を備え、イオン伝導層１００４は第１電極１００１および第２電極１００２に接しており、第１金属膜１００８と第１配線Ａ１００７との間にバリア絶縁膜１００５を備え、イオン伝導層１００４と層間絶縁膜１０１５の間はバリア絶縁膜１０１４が存在する。また、プラグ１００６は第２配線１０１２に接続している。さらに、第１配線Ｂ１０２２は第３電極を兼ね、バリア絶縁膜１００５の開口部でイオン伝導層１００４と接している。【０２６４】
多層配線層は、半導体基板１０１９上にて、層間絶縁膜１０１３、バリア絶縁膜１００５、保護絶縁膜１０２３、イオン伝導層１００４、バリア絶縁膜１０１４、層間絶縁膜１０１５、層間絶縁膜１０１６、及びバリア絶縁膜１０１７の順に積層した絶縁積層体を有する。【０２６５】
層間絶縁膜１０１６に形成された配線溝に第２配線１０１２が埋め込まれており、層間絶縁膜１０１５、バリア絶縁膜１０１４、イオン伝導層１００４、保護絶縁膜１００３及びハードマスク１０１８に形成された下穴にプラグ１００６が埋め込まれており、第２配線１０１２とプラグ１００６がそれぞれ一体となっており、第２配線１０１２およびプラグ１００６の側面及び底面は、第２バリアメタル１０１１によって覆われている。【０２６６】
３端子スイッチ１０２０では、開口されたバリア絶縁膜１００５上に、第１電極１００１を構成している第１金属膜１００８、ハードマスク１００８、保護絶縁膜１００３があり、保護絶縁膜１００３の上面とハードマスク１０１８、第１金属膜１００８、バリア絶縁膜１００５の側面、第１配線Ａ１００７の上面、及び、第１配線Ｂ１０２２の上面を覆うように、イオン伝導層１００４が形成されており、その上にバリア絶縁膜１０１４が形成されている。【０２６７】
第１電極１００１を構成する第１金属膜１００８がプラグ１００６と第２バリアメタル１０１１を介して電気的に接続されている。また、第２電極１００２を構成する第１配線Ａは、バリア絶縁膜１００５に開口された開口部を介して第１配線Ａ１００７及び第１バリアメタルＡ１０１０と電気的に接続されている。また、第３電極は第１配線Ｂ１０２２が兼ねている。【０２６８】
第１電極１００１を構成する第１金属膜１００８は２層構造となっており、プラグ１００６に接する面（上層）は、第２バリアメタル１０１１と同じ材料を用いる。このようにすることで、プラグ１００６の第２バリアメタル１０１１と３端子スイッチ１０２０の第１電極１００１を構成する第１金属膜１００８の上層とが一体化し、接触抵抗を低減し、かつ、密着性の向上による信頼性の向上を実現することができる。【０２６９】
半導体基板１０１９は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板１０１９には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。【０２７０】
層間絶縁膜１０１３は、半導体基板１０１９上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１０１３には、例えば、ＳｉＯ2、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。層間絶縁膜１０１３は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜１０１３には、第１配線Ａ１００７及び第１配線Ｂ１０２２を埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第１バリアメタルＡ１０１０を介して第１配線Ａ１００７が、第１バリアメタルＢ１０２１を介して第１配線Ｂ１０２２が埋め込まれている。【０２７１】
第１配線Ａ１００７及び第１配線Ｂ１０２２は、層間絶縁膜１０１３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ１０１０及び第１バリアメタルＢ１０２１を介して埋め込まれた配線である。第１配線Ａ１００７は、第２電極１００２を兼ねている。第１配線Ｂ１０２２はイオン伝導層１００４と直接接している。第１配線Ａ１００７及び第１配線Ｂ１０２２はＣｕで構成されているが、Ａｌと合金化されていてもよい。第１配線Ｂ１０２２は３端子イオン伝導層１００４中にＣｕイオンを供給する第３電極として機能する。【０２７２】
第１バリアメタルＡ１０１０及び第１バリアメタルＢ１０２１は、第１配線Ａ１００７及び第１配線Ｂ１０２２を構成する金属が層間絶縁膜１０１３や下層へ拡散することを防止するために、配線の側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタルＡ１０１０及び第１バリアメタルＢ１０２１には、例えば、第１配線１０１０がＣｕを主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。【０２７３】
バリア絶縁膜１００５は、第１配線Ａ１００７及び第１配線Ｂ１０２２を含む層間絶縁膜１０１３上に形成され、第１配線Ａ１００７及び第１配線Ｂ１０２２を構成する金属（例えば、Ｃｕ）の酸化を防いだり、イオン伝導層１００４中への第１配線Ａ１００７及び第１配線Ｂ１０２２を構成する金属の拡散を防ぐ役割を有する。バリア絶縁膜１００５には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【０２７４】
バリア絶縁膜１００５は、第１配線Ａ１００７及び第１配線Ｂ１０２２上にて開口部を有する。バリア絶縁膜１００５の開口部においては、第２電極１００２を構成する第１配線Ａ１００７と第１配線Ｂ１０２２が露出しており、両者はイオン伝導層１００４に接している。バリア絶縁膜１００５の開口部は、第１配線Ａ１００７及び第１配線Ｂ１０２２を含む領域内に形成されている。バリア絶縁膜１００５の開口部の壁面は、第１配線Ａ１００７及び第１配線Ｂ１０２２から離れるにしたがい広くなったテーパ面となっている。バリア絶縁膜１００５の開口部壁面のテーパ角θtaperは、第１配線Ａ１００７及び第１配線Ｂ１０２２の上面に対し、８５°以下（θtaper≦８５°）に設定されている。【０２７５】
第１電極１００１は、３端子スイッチ１０２０において信号を伝達する電極であり、イオン伝導層１００４と直接接している。第１電極１００１を構成する第１金属膜１００８は、異なる金属の２層で構成される。第１電極１００１は第１金属膜１００８の側壁部である。バリア絶縁膜１００３およびイオン伝導層１００４に接する下層はイオン化しにくく、イオン伝導層１００４に拡散もしくは伝導しにくい金属が用いられる。例えば、Ｐｔ、Ｒｕ等を用いることができる。また、第１電極１００１を構成する第１金属膜１００８の上層は、ハードマスク１０１８およびイオン伝導層１００４に接する。第１金属膜１００８の上層は、下層を保護する役割を有する。すなわち、上層が下層を保護することで、プロセス中の下層へのダメージを抑制し、３端子スイッチ１０２０のスイッチング特性を維持することができる。この上層には、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｌあるいはそれらの窒化物等を用いることができる。第１金属膜１００７の上層は、第２バリアメタル１０１１を介してプラグ１００６と電気的に接続されている。【０２７６】
イオン伝導層１００４は、金属イオン（Ｃｕイオン）が電界で移動可能な膜である。イオン伝導層１００４は、イオン伝導層が含む金属の作用（拡散、イオン伝動など）により抵抗が変化する材料を用いることができる。３端子スイッチ１０２０の抵抗変化を、金属架橋の形成・消滅によって行う場合には、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１０２２より供給される金属イオンが、イオン伝導可能な膜が用いられる。金属イオンは、Ｃｕイオンとして、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１０２２より供給される。バリア絶縁膜１０１４には、プラグ１００６を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタル１０１１を介してプラグ１００６が埋め込まれている。【０２７７】
イオン伝導層１００４の作製に利用可能な材料候補の一つは、カルコゲナイドのＧｅＳｂＴｅで、相変化素子において、相変化層の材料として使用される。曲率を有する積層構造の側面に、ＧｅＳｂＴｅからなるイオン伝導層１００４を形成する手段として、ＧｅＳｂＴｅの焼結ターゲットを用いてスパッタ成膜する方法がある。具体的には、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5ターゲットを用いて、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5からなる膜の成膜を行う。【０２７８】
イオン伝導層１００４の作製に利用可能な材料候補の他の一つは、シリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系材料であり、プラズマＣＶＤ法によって形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料（環状有機シロキサン）蒸気の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。【０２７９】
ハードマスク１０１８は、第１電極１００１を構成する第１金属膜１００８、をエッチングする際のハードマスクとなる膜である。ハードマスク１０１８には、例えば、ＳｉＮ膜やＳｉＯ2膜、もしくはこれらの積層を用いることができる。
保護絶縁膜１０２３は、第１電極１００１を構成する第１金属膜１００８の側面を、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１０２２及び第２電極を兼ねる第１配線Ａ１００７上のバリア絶縁膜１００３を開口する際、レジストのアッシング処理による酸化から保護するために用いられる膜である。アッシング処理には酸素プラズマを使用するため、酸素プラズマに曝されると、第１金属膜１００８の側面である第１電極１００１が酸化されてしまう。保護絶縁膜１０２３には、例えば、ＳｉＮ膜やＳｉＣＮ膜、もしくはこれらの積層を用いることができる。【０２８０】
バリア絶縁膜１０１４は、３端子スイッチ１０２０にダメージを与えることなく、さらにイオン伝導層１００４に含まれる酸素および金属の脱離、拡散を防ぐ機能を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜１０１４には、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜等を用いることができる。バリア絶縁膜１０１４は、バリア絶縁膜１００５と同一材料であることが好ましい。バリア絶縁膜１０１４には、プラグ１００６を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタル１０１１を介してプラグ１００６が埋め込まれている。【０２８１】
層間絶縁膜１０１５は、バリア絶縁膜１０１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１０１５には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯＣ膜などを用いることができる。層間絶縁膜１０１５は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜１０１５は、層間絶縁膜１０１３、１０１６と同一材料としてもよい。層間絶縁膜１０１５には、プラグ１００６を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタル１０１１を介してプラグ１００６が埋め込まれている。【０２８２】
層間絶縁膜１０１６は、層間絶縁膜１０１５上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１０１６には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯ2よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）などを用いることができる。層間絶縁膜１０１６は、層間絶縁膜１０１５、層間絶縁膜１０１３と同一材料としてもよい。また、層間絶縁膜１０１６と層間絶縁膜１０１５を異なる絶縁材料を用いて作製し、そのエッチング特性に有意な差異を設けることもできる。層間絶縁膜１０１６は、層間絶縁膜１０１５、１０１３と同一材料としてもよい。層間絶縁膜１０１６には、第２配線１０１２埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第２バリアメタル１０１１を介して第２配線１０１２が埋め込まれている。【０２８３】
第２配線１０１２は、層間絶縁膜１０１６に形成された配線溝に第２バリアメタル１０１１を介して埋め込まれた配線である。第２配線１０１２は、プラグ１００６と一体になっている。プラグ１００６は、層間絶縁膜１０１５、バリア絶縁膜１０１４、及びハードマスク１０１８に形成された下穴に第２バリアメタル１０１１を介して埋め込まれている。プラグ１００６は、第２バリアメタル１０１１を介して第１電極１００１を構成する第１金属膜１００８と電気的に接続されている。第１配線１０１２及びプラグ１００６には、例えば、Ｃｕを用いることができる。【０２８４】
第２バリアメタル１０１１は、第２配線１０１２（プラグ１００６を含む）を構成する金属が層間絶縁膜１０１６や１０１５や下層へ拡散することを防止するために、第２配線１０１２及びプラグ１００６の側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。第２バリアメタル１０１２には、例えば、第２配線１０１２及びプラグ１００６がＣｕを主成分とする金属元素からなる場合には、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＣＮのような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。【０２８５】
バリア絶縁膜１０１７は、第２配線１０１２を含む層間絶縁膜１０１６上に形成され、第２配線１０１７を構成する金属（例えば、Ｃｕ）の酸化を防いだり、上層への第２配線１０１２を構成する金属の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜１０１７には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【０２８６】
（スイッチング動作）
図１０に示す、第一の実施態様の３端子スイッチのスイッチング動作時の駆動方法を説明する。【０２８７】
（ａ）ＯＮ動作（ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移過程）
まず第２電極１００２を兼ねる第１配線Ａ１００７と、第１電極１００１と電気的に接続されている第１金属膜１００８、プラグ１００６、第２配線１０１２を介して、それぞれ接地する。さらに、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１０２２に正電圧（＋ＶON＞０Ｖ）を印加すると第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１０２２から金属イオン（Ｃｕイオン）がイオン伝導層１００４中へ拡散し、第１電極１００１及び第２電極１００２側にマイグレーションする。マイグレーションした金属イオンは、第１電極１００１及び第２電極１００２より電子を受け取り、電気化学反応によって金属架橋１００９が析出する。これによって第１電極１００１と第２電極１００２の間の抵抗値が低抵抗となり、ＯＮ状態となる。【０２８８】
ＯＮ状態への遷移は、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１０２２を接地して、第１電極１００１及び第２電極１００２に負電圧（−ＶON＜０Ｖ）を印加しても良い。【０２８９】
（ｂ）ＯＦＦ動作（ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移過程）
一方、第２電極１００２兼ねる第１配線Ａ１００７を介して、第１電極１００１を第１電極１００１と電気的に接続されている第１金属膜１００８、プラグ１００６、第２配線１０１２を介して、それぞれ接地する。第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１０２２に負電圧（−ＶOFF＜０Ｖ）を印加すると、金属架橋１００９の溶解反応が進行し、金属架橋１００９は金属イオン（Ｃｕイオン）となって、イオン伝導層１００４中に分散する。これによって、第１電極１００１と第２電極１００２の間の抵抗値が高抵抗となり、ＯＦＦ状態に遷移する。【０２９０】
ＯＦＦ状態への遷移は、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１０２２を接地して、第１電極１００１及び第２電極１００２に正電圧（＋ＶOFF＞０Ｖ）を印加しても良い。【０２９１】
第１電極１００１の側面の形状が曲率を有することで、ＯＮ状態とＯＦＦ状態へのスイッチング時、スイッチング電圧を印加すると、該曲率部分に電界が集中し、安定かつバラツキが小さい動作が得られる。【０２９２】
（製造プロセス）
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子を具えてなる半導体装置において、図１０に示す、第一の実施態様の３端子スイッチング素子を、前記抵抗変化型不揮発性スイッチング素子として作製する際の製造プロセスを説明する。図１１−１と図１１−２が、第一の実施態様の３端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図である。図１１−１は、該製造工程中、工程１〜工程５を示す図であり、図１１−２は、該製造工程中、工程６〜工程８を示す図である。【０２９３】
（工程１）
半導体基板１１１９（例えば、半導体素子が形成された基板）上に、層間絶縁膜１１１３（例えば、膜厚３００ｎｍのＳｉＯ2、膜厚１５０ｎｍのＳｉＯＣＨ、膜厚１００ｎｍのＳｉＯ2）を堆積し、その後、リソグラフィ法（フォトレジスト形成、ドライエッチング、フォトレジスト除去を含む）を用いて、層間絶縁膜１１１３に配線溝を形成し、その後、当該配線溝に第１バリアメタルＡ１１１０及び第１バリアメタルＢ（例えば、ＴａＮ／Ｔａ、膜厚５ｎｍ／５ｎｍ）を介して第１配線Ａ１１０７及び第１配線Ｂ１１２２（例えば、Ｃｕ）を埋め込む。層間絶縁膜１１１３は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。第１配線Ａ１１０７及び第１配線Ｂ１１２２は、例えば、ＰＶＤ法によって第１バリアメタルＡ１１１０及び第１バリアメタルＢ１１２２（例えば、ＴａＮ／Ｔａの積層膜）を形成し、ＰＶＤ法によるＣｕシードの形成後、電解めっき法によってＣｕを配線溝内に埋設し、２００℃以上の温度で熱処理処理後、ＣＭＰ法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の銅配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。ここで、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウエハ表面の凹凸を、研磨液をウエハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。配線溝に埋め込まれた余剰の銅を研磨することによって埋め込み配線（ダマシン配線）を形成したり、層間絶縁膜１１１３を研磨することで平坦化を行う。【０２９４】
（工程２）
第１配線Ａ１１０７及び第１配線Ｂ１１２２の表面、層間絶縁膜１１１３上にバリア絶縁膜１１０５（例えば、ＳｉＮ、膜厚３０ｎｍ）を形成する。ここで、バリア絶縁膜１１０５は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。バリア絶縁膜１１０５の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。【０２９５】
（工程３）
開口したバリア絶縁膜１１０５の上に第１金属膜１１０８（例えば、Ｒｕ１０ｎｍとＴａ１０ｎｍをこの順番で堆積する）を堆積する。さらに、ハードマスク１１１８（例えば、ＳｉＮ膜、膜厚３０ｎｍ）、およびハードマスク１１０９（例えば、ＳｉＯ2膜、膜厚１００ｎｍ）をこの順に積層する。工程３において、ハードマスク１１１８、ハードマスク１１０９は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。また、工程３において、第１金属膜１１０８はスパッタ法によって形成する。さらに、ハードマスク１１０９をパターニングするためのフォトレジスト（図示せず）を形成し、その後、当該フォトレジストをエッチングマスクとして、ハードマスク１１１８が表れるまで、ハードマスク１１０９をドライエッチングする。その後、酸素プラズマアッシングと有機剥離を用いて、フォトレジストを除去する。フォトレジスト・マスクの露光パターンにより、ハードマスク１１０９の平面形状（上面から見た形状）が円もしくは楕円になっている。もしくは、フォトレジスト・マスクの露光パターン自体は、長方形もしくは正方形とし、ハードマスク１１０９のエッチング加工時、サイド・エッチングによって、角部の除去を進め、結果として、ハードマスク１１０９の平面形状に曲率を持たせてもよい。【０２９６】
（工程４）
次に、ハードマスク１１０９をマスクとして、ハードマスク１１１８、第１金属膜１１０８を連続的にドライエッチングし、第１電極１１０１および第２電極１１０２を形成する。このとき、ハードマスク１１０９は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、そのまま残存してもよい。工程４において、例えば、第１金属膜１１０８の上層がＴａの場合には、Ｃｌ2系のＲＩＥで加工することができ、第１金属膜１１０９の下層がＲｕの場合には、Ｃｌ2／Ｏ2の混合ガスでＲＩＥ加工することができる。このようなハードマスクＲＩＥ法を用いることで、レジスト除去のための酸素プラズマアッシングに、第１金属膜１１０８を曝すことなく、エッチング加工をすることができる。また、加工後に、ハードマスク１１０９のパターニングに用いたレジストを、酸素プラズマによって酸化処理する場合には、第１金属膜１１０８はハードマスク１１０９により被覆されている。レジストの剥離工程において、酸化プラズマを照射する際、その照射時間が長くなっても、ハードマスク１１０９により被覆されている第１金属膜１１０８の酸化は生じない。【０２９７】
工程４では、ハードマスク１１１８、第１金属膜１１０８の平面形状が曲率を有するように、エッチングレシピを調整してもよい。【０２９８】
（工程５）
次に、ハードマスク１１１８、第１電極１１０１、バリア絶縁膜１１０５の側壁面に接するように、保護絶縁膜１１０３（例えば、ＳｉＣＮ膜、３０ｎｍ）、ハードマスク１１２３（例えば、ＳｉＯ２膜、５０ｎｍ）を堆積する。工程５において、保護絶縁膜１１０３及びハードマスク１１２３は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。さらに、ハードマスク１１２３をパターニングするためのフォトレジスト（図示せず）を形成し、その後、当該フォトレジストをマスクとして、ハードマスク１１２３をドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと有機剥離を用いて、フォトレジストを除去する。【０２９９】
（工程６）
ハードマスク１１２３をマスクとして、ハードマスク１１２３の開口部から露出するバリア絶縁膜１１０５をエッチバック（ドライエッチング）することにより、バリア絶縁膜１１０５に開口部を形成する。このバリア絶縁膜１１０５の開口部に、第１配線Ａ１１０７及び第１配線Ｂ１１２２を露出させ、その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで、第１配線Ａ１１０７及び第１配線Ｂ１１２２の露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する。この時、ハードマスク１１２３の開口部は、第１電極１１０１が形成されている第１金属膜１１０８及びハードマスク１１１８の側面より、第１配線Ａ１１０７側となっている。その結果、エッチバックの際にハードマスク１１１８及び第１金属膜１１０８がハードマスクとなることで、バリア絶縁膜１１０５の開口部の側面は、セルフアラインで第１電極１１０１の側面に揃う。バリア絶縁膜１１０５のエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜１１０５の開口部の壁面をテーパ面とすることができる。反応性ドライエッチングでは、エッチングガスとしてフルオロカーボンを含むガスを用いることができる。ハードマスク１１２４は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場にはそのまま残存してもよい。また、バリア絶縁膜１１０５の開口部の形状は曲率を有しており、開口部の平面方向の最大の長さは３０ｎｍから５００ｎｍとする。さらに、非反応性ガスを用いたＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；高周波）エッチングによって、第１配線Ａ１１０７及び第１配線Ｂ１１２２の表面の酸化物を除去する。非反応性ガスとしては、ヘリウムやアルゴンを用いることができる。第１配線Ａ１１０７の露出した上面は、第２電極１１０２となる。【０３００】
（工程７）
次に、保護絶縁膜１１０３、ハードマスク１１１８、第１電極１１０１、バリア絶縁膜１１０５、第１配線Ｂ１１２２に接するようにイオン伝導層１１０４としてシリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系イオン伝導性材料をＣＶＤ法で２０ｎｍから８０ｎｍ程度形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。温度は２５０℃〜３５０℃程度が好ましい。次に、イオン伝導層１１０４上にバリア絶縁膜０７１４としてＳｉＮもしくはＳｉＣＮを３０ｎｍの膜厚で形成する。工程７において、バリア絶縁膜１１１４は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。例えば、ＳｉＨ4／Ｎ2の混合ガスの高密度プラズマによって形成したＳｉＮ膜などを用いることが好ましい。３端子スイッチ素子１１２０以外の領域にもイオン伝導層１１０４が残るが、絶縁膜として機能するため、３端子スイッチの動作および多層配線に影響はない。工程７では、バリア絶縁膜１１１４の上に層間絶縁膜１１１５としてＳｉＯ2を３００ｎｍ成膜する。さらに、３端子スイッチ１１２０によって生じた段差を解消するため、層間絶縁膜１１１５を１７０ｎｍ程度ＣＭＰ法にて研磨することで平坦にする。層間絶縁膜１１１５は３端子スイッチ素子１１２０の段差を確実に埋めるために、高密度プラズマを使用してＳｉＯ2を成膜することが望ましい。【０３０１】
（工程８）
次に、層間絶縁膜１１１５の上に層間絶縁膜１１１６（例えば、比誘電率の低いＳｉＯＣ、ＳｉＯ2の積層）を堆積し、その後、プラグ１１０６用の下穴および第２配線１１１２用の配線溝をドライエッチングによって形成し、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝及び当該下穴内に第２バリアメタル１１１１（例えば、ＴａＮ／Ｔａ）を介して第２配線１１１２（例えば、Ｃｕ）及びプラグ１１０６（例えば、Ｃｕ）を同時に形成し、その後、第２配線１１１２を含む層間絶縁膜１１１６上にバリア絶縁膜１１１７（例えば、ＳｉＣＮ膜）を堆積する。工程８において、第２配線１１１２およびプラグ１１０６の形成は、例えば、ＰＶＤ法によって第２バリアメタル１１１１（例えば、ＴａＮ／Ｔａの積層膜）を形成し、ＰＶＤ法によるＣｕシードの形成後、電解めっき法によって銅を配線溝内に埋設し、２００℃以上の温度で熱処理処理後、ＣＭＰ法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の銅配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。工程８では、第２バリアメタル１１１１と第１金属膜１１０８の上層を同一材料とすることで、プラグ１１０６と第１金属膜１１０８の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上（ＯＮ状態時の３端子スイッチの抵抗を低減）させることができるようになる。また、工程８において、層間絶縁膜１１１６及びバリア絶縁膜１１１７はプラズマＣＶＤ法で形成することができる。工程８では、プラグ１１０６用の下穴を形成する際、下穴は第１金属膜１１０８の上層に到達しており、第１金属膜１１０８の上層の材料がエッチングストッパ材料として機能する。プラグ１１０６用の下穴および第２配線１１１２用の配線溝のドライエッチングには、フルオロカーボン系のガスを用いる。【０３０２】
（第四の実施形態）
本発明に係る金属架橋型スイッチング素子における、第四の実施形態は、下に説明する「３端子スイッチ」の構成を採用する、金属架橋型スイッチング素子である。【０３０３】
本発明の第四の実施形態にかかる金属架橋型スイッチング素子で採用される、「３端子スイッチ」の構成を説明する。図１０は、第四の実施形態の「３端子スイッチ」の構成の一例を模式的に示す断面図である。【０３０４】
図１０に示すように、第四の実施形態の「３端子スイッチ」は、第１電極１２０１を兼ねるプラグ１２０６と、第２電極を兼ねる第１配線Ａ１２０２と、第２電極を兼ねる第１配線Ａ１２０２、層間絶縁膜１２０３の側面に接したイオン伝導層１２０４と、イオン伝導層１２０４に接した第３電極を兼ねた第１配線Ｂ１２０７で形成されている。ＯＮ状態に遷移する際に形成する金属架橋１２０５は、第１電極１２０１と第２電極を兼ねる第１配線層Ｂ１２０７を繋ぐように形成される。また、イオン伝導層１２０４は、第１配線Ｂ１２０７（第３電極）から供給される。金属イオンが伝導するための媒体となる。【０３０５】
プラグ１２０６の側面と底面は第２バリアメタル１３１１で被覆されており、第１電極１２０１は、該第２バリアメタル１３１１のイオン伝導層１２０４に接触する部位である。第２バリアメタル１３１１を構成する導電性材料には、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）が適しており、これらの積層でも良い。導電性材料からなる第２バリアメタル１３１１は、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法を用いて形成する。【０３０６】
プラグ１２０６用の下穴の平面（横断面）形状は曲率を有している。そのため、第２バリアメタル１３１１のイオン伝導層１２０４に接触する部位ではる、第１電極０９０１も曲率を有する。【０３０７】
イオン伝導層１２０４はスパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ法を用いて形成する。イオン伝導層１２０４の材料としては、金属イオン（Ｃｕイオン）の伝導度の大きく、かつ、ＬＳＩ生産ラインにおいて、エッチング加工可能な材料を選択する必要がある。【０３０８】
イオン伝導層１２０４の作製に利用可能な材料候補の一つは、カルコゲナイドのＧｅＳｂＴｅで、相変化素子において、相変化層の材料として使用される。ＧｅＳｂＴｅからなるイオン伝導層１２０４を形成する手段として、ＧｅＳｂＴｅの焼結ターゲットを用いてスパッタ成膜する方法がある。具体的には、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5ターゲットを用いて、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5からなる膜の成膜を行う。【０３０９】
イオン伝導層１２０４の作製に利用可能な材料候補の他の一つは、シリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系材料であり、プラズマＣＶＤ法によって形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料（環状有機シロキサン）蒸気の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。【０３１０】
第２電極を兼ねる第１配線Ａ１２０２及び第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１２０７は、イオン伝導層１２０４に金属イオンを供給可能な金属で構成される。例えば、主金属はＣｕで、Ａｌなどとの合金でも良い。【０３１１】
（スイッチング動作）
図１２に示す、第四の実施態様の３端子スイッチのスイッチング動作時の駆動方法を説明する。【０３１２】
（ａ）ＯＮ動作（ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移過程）
まず、第１電極１２０１及び第２電極を兼ねる第１配線Ａ１２０２を接地して、第３電極を兼ねる第１配線１２０７に正電圧（＋ＶON＞０Ｖ）を印加すると第１配線Ｂ１２０７から金属イオンがイオン伝導層０９０４中へ拡散し、第１電極１２０１及び第１配線Ａ１２０２側にマイグレーションする。マイグレーションした金属イオンは第１電極１２０１及び第１配線Ａ１２０２より電子を受け取り、第１電極１２０１と第１配線Ａ１２０２間に、電気力線に従って電気化学反応によって金属架橋１２０５が析出する。これによって第１電極１２０１と第１配線Ａ０９０２の間の抵抗値が低抵抗となり、ＯＮ状態となる。【０３１３】
ＯＮ状態への遷移は、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１２０７を接地して、第１電極１２０１及び第１配線Ａ１２０２に負電圧（−ＶON＜０Ｖ）を印加しても良い。【０３１４】
（ｂ）ＯＦＦ動作（ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移過程）
一方、第１電極１２０１及び第２電極を兼ねる第１配線Ａ１２０２を接地して、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１２０７に負電圧（−ＶOFF＜０Ｖ）を印加すると、金属架橋０９０５の溶解反応が進行し、金属架橋０９０５は金属イオンとなって、イオン伝導層１２０４中に分散する。これによって、第１電極１２０１と第１配線Ａ１２０２の間の抵抗値が高抵抗となり、オフ状態に遷移する。【０３１５】
ＯＦＦ状態への遷移は、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１２０７を接地して、第１電極１２０１及び第１配線Ａ１２０２に正電圧（＋ＶOFF＞０Ｖ）を印加しても良い。【０３１６】
第１電極１２０１を兼ねるプラグ１２０６が曲率を有することで、ＯＮ状態とＯＦＦ状態のスイッチング動作時に曲率部分に電界が集中し、安定かつバラツキが小さいスイッチング動作が得られる。【０３１７】
（第一の実施態様）
本発明の第四の実施形態にかかる、第一の実施態様の３端子スイッチング素子について説明する。【０３１８】
該第一の実施態様の３端子スイッチング素子は、半導体装置に設ける多層配線層内部に形成されている。図１３に、半導体装置に設ける多層配線層内部に形成されている、該第二の実施態様の３端子スイッチング素子の構造を示す。【０３１９】
半導体装置に設ける多層配線層の内部に、３端子スイッチ１３１８が形成されている。多層配線層は、第１電極１３０１を構成するプラグ１３０６、および第２電極１３０２を構成する第１配線Ａ１３０７を備え、イオン伝導層１３０４は第１電極１３０１及び第２電極１３０２を構成する第１配線Ａ１３０７に接している。また、プラグ１３０６は第２配線１３１２に接続している。さらに、第１配線Ｂ１３０３は第３電極を兼ね、バリア絶縁膜１３０５の開口部でイオン伝導層１３０４と接している。【０３２０】
多層配線層は、半導体基板１３１９上にて、層間絶縁膜１３１３、バリア絶縁膜１３０５、イオン伝導層１３０４、バリア絶縁膜１３１４、層間絶縁膜１３１５、層間絶縁膜１３１６、及びバリア絶縁膜１３１７の順に積層した絶縁積層体を有する。【０３２１】
層間絶縁膜１３１６に形成された配線溝に第２配線１３１２が埋め込まれており、層間絶縁膜１３１５、バリア絶縁膜１３１４、イオン伝導層１３０４に形成された下穴にプラグ１３０６が埋め込まれており、第２配線１３１２とプラグ１３０６がそれぞれ一体となっており、第２配線１３１２およびプラグ１３０６の側面及び底面が第２バリアメタル１３１１によって覆われている。【０３２２】
３端子スイッチ１３１８では、開口されたバリア絶縁膜１３０５上に、第１電極１３０１を構成しているプラグ１３０６があり、プラグ１３０６を構成する第２バリアメタル１３１１、バリア絶縁膜１３０５の側面、第１配線Ａ１３０７の上面、及び、第１配線Ｂ１３０３の上面を覆うように、イオン伝導層１３０４が形成されており、その上にバリア絶縁膜１３１４が形成されている。【０３２３】
第１電極１３０１を構成するプラグ１３０６が第２バリアメタル１３１１を介して電気的に接続されている。また、第２電極１３０２を構成する第１配線Ａ１３０７は、バリア絶縁膜１３０５に開口された開口部を介して第１配線Ａ１３０７及び第１バリアメタルＡ１３１０と電気的に接続されている。また、第３電極は第１配線Ｂ１３０３が兼ねている。【０３２４】
第１電極１３０１を構成するプラグ１３０６は、第２バリアメタル１３１１材料をそのまま用いる。【０３２５】
半導体基板１３１９は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板１３１９には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。【０３２６】
層間絶縁膜１３１３は、半導体基板１３１９上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１３１３には、例えば、ＳｉＯ2、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。層間絶縁膜１３１３は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜１３１３には、第１配線Ａ１３０７及び第１配線Ｂ１３０３を埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第１バリアメタルＡ１３１０を介して第１配線Ａ１３０７が、第１バリアメタルＢ１３０８を介して第１配線Ｂ１３０３が埋め込まれている。【０３２７】
第１配線Ａ１３０７及び第１配線Ｂ１３０３は、層間絶縁膜１３１３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ１３１０及び第１バリアメタルＢ１３０８を介して埋め込まれた配線である。第１配線Ａ１３０７は、第２電極１３０２を兼ねている。第１配線Ｂ１３０３はイオン伝導層１３０４と直接接している。第１配線Ａ１３０７及び第１配線Ｂ１３０３はＣｕで構成されているが、Ａｌと合金化されていてもよい。第１配線Ｂ１３０３は、イオン伝導層１３０４中にＣｕイオンを供給する第３電極として機能する。【０３２８】
第１バリアメタルＡ１３１０及び第１バリアメタルＢ１３０８は、第１配線Ａ１３０７及び第１配線Ｂ１３０３を構成する金属が層間絶縁膜１３１３や下層へ拡散することを防止するために、配線の側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタルＡ１３１０及び第１バリアメタルＢ１１２１には、例えば、第１配線がＣｕを主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。【０３２９】
バリア絶縁膜１３０５は、第１配線Ａ１３０７及び第１配線Ｂ１３０３を含む層間絶縁膜１３１３上に形成され、第１配線Ａ１３０７及び第１配線Ｂ１３０３を構成する金属（例えば、Ｃｕ）の酸化を防いだり、イオン伝導層１０４中への第１配線Ａ１３０７及び第１配線Ｂ１３０３を構成する金属の拡散を防ぐ役割を有する。バリア絶縁膜１３０５には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【０３３０】
バリア絶縁膜１３０５は、第１配線Ａ１３０７及び第１配線Ｂ１３０３上にて開口部を有する。バリア絶縁膜１３０５の開口部においては、第２電極１３０２を構成する第１配線Ａ１３０７と第１配線Ｂ１３０３が露出しており、両者はイオン伝導層１３０４に接している。バリア絶縁膜１３０５の開口部は、第１配線Ａ１３０７及び第１配線Ｂ１３０３を含む領域内に形成されている。バリア絶縁膜１３０５の開口部の壁面は、第１配線Ａ１３０７及び第１配線Ｂ１３０３から離れるにしたがい広くなったテーパ面となっている。バリア絶縁膜１３０５の開口部のテーパ面は、第１配線Ａ１３０７及び第１配線Ｂ１３０３の上面に対し８５°以下に設定されている。【０３３１】
イオン伝導層１３０４は、金属イオン（Ｃｕイオン）が電界で移動可能な膜である。イオン伝導層１３０４は、イオン伝導層が含む金属の作用（拡散、イオン伝動など）により抵抗が変化する材料を用いることができろ。３端子スイッチ１３１８の抵抗変化を、金属架橋の形成・消滅によって行う場合には、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１３２２より供給される金属イオンが、イオン伝導可能な膜が用いられる。金属イオンは、Ｃｕイオンとして、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１３２２より供給される。バリア絶縁膜１３１４には、プラグ１３０６を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタル１３１１を介してプラグ１３０６が埋め込まれている。【０３３２】
イオン伝導層１３０４の作製に利用可能な材料候補の一つは、カルコゲナイドのＧｅＳｂＴｅで、相変化素子において、相変化層の材料として使用される。ＧｅＳｂＴｅからなるイオン伝導層１３０４を形成する手段として、ＧｅＳｂＴｅの焼結ターゲットを用いてスパッタ成膜する方法がある。具体的には、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5ターゲットを用いて、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5からなる膜の成膜を行う。【０３３３】
イオン伝導層１３０４の作製に利用可能な材料候補の他の一つは、シリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系材料であり、プラズマＣＶＤ法によって形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料（環状有機シロキサン）蒸気の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。【０３３４】
バリア絶縁膜１３１４は、３端子スイッチ１３１８にダメージを与えることなく、さらにイオン伝導層１３０４中に含まれる金属イオンの層間絶縁膜１３１５中への拡散を防ぐ機能を有する絶縁膜である。また、イオン伝導層１３０４を構成するＳＩＯＣＨ系材料中の酸素の脱離を抑制する機能も有する。バリア絶縁膜１３１４には、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜等を用いることができる。バリア絶縁膜１３１４は、バリア絶縁膜１３０５と同一材料であることが好ましい。バリア絶縁膜１３１４には、プラグ１３０６を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタル１３１１を介してプラグ１３０６が埋め込まれている。【０３３５】
層間絶縁膜１３１５は、バリア絶縁膜１３１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１３１５には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯＣ膜などを用いることができる。層間絶縁膜１３１５は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜１３１５は、層間絶縁膜１３１３、層間絶縁膜１３１６と同一材料としてもよい。層間絶縁膜１３１５には、プラグ１３０６を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタル１３１１を介してプラグ１３０６が埋め込まれている。【０３３６】
層間絶縁膜１３１６は、層間絶縁膜１３１５上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１３１６には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯ2よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）などを用いることができる。層間絶縁膜１３１６は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜１３１６は、層間絶縁膜１３１５、層間絶縁膜１３１３と同一材料としてもよい。また、層間絶縁膜１３１６と層間絶縁膜１３１５を異なる絶縁材料を用いて作製し、そのエッチング特性に有意な差異を設けることもできる。層間絶縁膜１３１６には、第２配線１３１２埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第２バリアメタル１３１１を介して第２配線１３１２が埋め込まれている。【０３３７】
第２配線１３１２は、層間絶縁膜１３１６に形成された配線溝に第２バリアメタル１３１１を介して埋め込まれた配線である。第２配線１３１２は、プラグ１３０６と一体になっている。プラグ１３０６は、層間絶縁膜１３１５、及びバリア絶縁膜１３１４に形成された下穴に第２バリアメタル１３１１を介して埋め込まれている。【０３３８】
第１電極１３０１は、プラグ１３０６の側面であり、第２バリアメタル１３１１で構成される。第１電極１３０１は３端子スイッチ１３１８において信号を伝達する電極であり、イオン伝導層１３０４と直接接している。第１配線１３１２及びプラグ１３０６には、例えば、Ｃｕを用いることができる。【０３３９】
第２バリアメタル１３１１は、第２配線１３１２（プラグ１３０６を含む）を構成する金属が、層間絶縁膜１３１６や層間絶縁膜１３１５や下層へ拡散することを防止するために、第２配線１３１２及びプラグ１３０６の側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。第２バリアメタル１０１２には、例えば、第２配線１３１２及びプラグ１３０６がＣｕを主成分とする金属元素からなる場合には、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＣＮのような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。【０３４０】
バリア絶縁膜１３１７は、第２配線１３１２の表面、層間絶縁膜１３１６上に形成され、第２配線１３１７を構成する金属（例えば、Ｃｕ）の酸化を防いだり、上層への第２配線１３１２を構成する金属（Ｃｕ）の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜１３１７には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。【０３４１】
（スイッチング動作）
図１３に示す、第一の実施態様の３端子スイッチのスイッチング動作時の駆動方法を説明する。【０３４２】
（ａ）ＯＮ動作（ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移過程）
まず、第２電極１３０２を兼ねる第１配線Ａ１３０７と、第１電極１３０１を兼ねるプラグ１３０６、第２配線１３１２を介して、それぞれ接地する。さらに、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１３０３に正電圧（＋ＶON＞０Ｖ）を印加する。第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１３０３から金属イオン（Ｃｕイオン）がイオン伝導層１３０４中へ拡散し、第１電極１３０１及び第２電極１３０２側にマイグレーションする。マイグレーションした金属イオンは、第１電極１３０１及び第２電極１３０２より電子を受け取り、金属となり析出する。析出する金属で構成される、金属架橋１３０９によって、第１電極１３０１と第２電極１３０２の間が連結される。金属架橋１３０９の形成によって、第１電極１３０１と第２電極１３０２の間の抵抗値が低抵抗となり、ＯＮ状態となる。【０３４３】
前述のＯＮ状態への遷移は、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１３０３を接地して、第１電極１３０１及び第２電極１３０２に負電圧（−ＶON＜０Ｖ）を印加しても良い。【０３４４】
（ｂ）ＯＦＦ動作（ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移過程）
一方、第２電極１３０２兼ねる第１配線Ａ１３０７を介して、第１電極１３０１を兼ねるプラグ１３０６、第２配線１３１２を介して、それぞれ接地し、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１３０３に負電圧（−ＶOFF＜０Ｖ）を印加する。第２電極１３０２、第１電極１３０１との間を連結している金属架橋１３０９を構成している金属の溶解反応が進行する。イオン伝導層１３０４と金属架橋１３０９の界面に生成する電界によって、金属はイオン化し、生成する金属イオン（Ｃｕイオン）はイオン伝導層１３０４中に存在する電界により、第１配線Ｂ１３０３に向かって分散する。金属架橋１３０９の溶解によって、第２電極１３０２、第１電極１３０１との間の導通経路が遮断される結果、第１電極１３０１と第２電極１３０２の間の抵抗値が高抵抗となり、ＯＦＦ状態に遷移する。【０３４５】
前述のＯＦＦ状態への遷移は、第３電極を兼ねる第１配線Ｂ１３０３を接地して、第１電極１３０１及び第２電極１３０２に正電圧（＋ＶOFF＞０Ｖ）を印加しても良い。【０３４６】
第１電極１３０１を兼ねるプラグ１３０６の側面が曲率を有することで、ＯＮ状態とＯＦＦ状態のスイッチング動作時に曲率部分に電界が集中し、安定かつバラツキが小さいスイッチング動作が得られる。【０３４７】
（製造プロセス）
半導体基板上に形成される多層配線層内に設けられる抵抗変化型不揮発性スイッチング素子を具えてなる半導体装置において、図１３に示す、第一の実施態様の３端子スイッチング素子を、前記抵抗変化型不揮発性スイッチング素子として作製する際の製造プロセスを説明する。図１４は、第一の実施態様の３端子スイッチング素子の製造工程の一例を模式的に示す断面図である。図１４は、該製造工程中、工程１〜工程６を示す図である。【０３４８】
（工程１）
半導体基板１４１９（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜１４１３（例えば、膜厚３００ｎｍのＳｉＯ2、膜厚１５０ｎｍのＳｉＯＣＨ、膜厚１００ｎｍのＳｉＯ2）を堆積し、その後、リソグラフィ法（フォトレジスト形成、ドライエッチング、フォトレジスト除去を含む）を用いて、層間絶縁膜１４１３に配線溝を形成し、その後、当該配線溝に第１バリアメタルＡ１４１０及び第１バリアメタルＢ１４０８（例えば、ＴａＮ／Ｔａ、膜厚５ｎｍ／５ｎｍ）を介して第１配線Ａ１４０７及び第１配線Ｂ１４０３（例えば、Ｃｕ）を埋め込む。層間絶縁膜１４１３は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。第１配線Ａ１４０７及び第１配線Ｂ１４０３は、例えば、ＰＶＤ法によって第１バリアメタルＡ１４１０及び第１バリアメタルＢ１４０８（例えば、ＴａＮ／Ｔａの積層膜）を形成し、ＰＶＤ法によるＣｕシードの形成後、電解めっき法によってＣｕを配線溝内に埋設し、２００℃以上の温度で熱処理処理後、ＣＭＰ法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の銅配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。ここで、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウエハ表面の凹凸を、研磨液をウエハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。配線溝に埋め込まれた余剰の銅を研磨することによって埋め込み配線（ダマシン配線）を形成したり、層間絶縁膜１４１３を研磨することで平坦化を行う。【０３４９】
（工程２）
第１配線Ａ１４０７及び第１配線Ｂ１４０３の表面、層間絶縁膜１４１３上にバリア絶縁膜１４０５（例えば、ＳｉＮ、膜厚３０ｎｍ）を形成する。ここで、バリア絶縁膜１４０５は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。バリア絶縁膜１４０５の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。【０３５０】
（工程３）
次に、バリア絶縁膜１４０５に接するようにハードマスク１４２０（例えば、ＳｉＯ2膜、５０ｎｍ）を堆積する。工程３において、ハードマスク１４２０は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。さらに、ハードマスク１４２０をパターニングするためのフォトレジスト（図示せず）を形成し、その後、当該フォトレジストをエッチングマスクとして、ハードマスク１４２０をドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと有機剥離を用いて、フォトレジストを除去する。【０３５１】
（工程４）
ハードマスク１４２０をマスクとして、ハードマスク１４２０の開口部から露出するバリア絶縁膜１４０５をエッチバック（ドライエッチング）することにより、バリア絶縁膜１４０５に開口部を形成して、バリア絶縁膜１４０５の開口部から第１配線Ａ１４０７及び第１配線Ｂ１４０３を露出させ、その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで、第１配線Ａ１４０７及び第１配線Ｂ１４０３の露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する。バリア絶縁膜１４０５のエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜１４０５の開口部の壁面をテーパ面とすることができる。反応性ドライエッチングでは、エッチングガスとしてフルオロカーボンを含むガスを用いることができる。ハードマスク１４２０は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場にはそのまま残存してもよい。また、バリア絶縁膜１４０５の開口部の形状は曲率を有しており、開口部の平面方向の最大の長さは３０ｎｍから５００ｎｍとする。さらに、非反応性ガスを用いたＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；高周波）エッチングによって、第１配線Ａ１４０７及び第１配線Ｂ１４０３の表面の酸化物を除去する。非反応性ガスとしては、ヘリウムやアルゴンを用いることができる。第１配線Ａ１４０７の露出した上面は、第２電極１４０２となる。【０３５２】
（工程５）
次に、バリア絶縁膜１４０５、第１配線Ａ１４０７及び第１配線Ｂ１４０３に接するようにイオン伝導層１４０４として、シリコン、酸素、炭素、水素を含むＳＩＯＣＨ系イオン伝導性材料をＣＶＤ法で２０ｎｍから８０ｎｍ程度形成する。キャリアガスのヘリウムを用いて、気化させた環状有機シロキサン蒸気を含む原料混合ガスと、ヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでＲＦ電力の印加を開始する。原料の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。温度は２５０℃〜３５０℃程度が好ましい。次に、イオン伝導層１４０４上にバリア絶縁膜１４１４として、ＳｉＮもしくはＳｉＣＮを３０ｎｍの膜厚で形成する。工程７において、バリア絶縁膜１４１４は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。例えば、ＳｉＨ4／Ｎ2の混合ガスの高密度プラズマによって形成したＳｉＮ膜などを用いることが好ましい。３端子スイッチ素子１４１８以外の領域にもイオン伝導層１４０４が残るが、絶縁膜として機能するため、３端子スイッチの動作および多層配線に影響はない。工程５では、バリア絶縁膜１４１４の上に層間絶縁膜１４１５として、ＳｉＯ2を３００ｎｍ成膜する。さらに、３端子スイッチ１４１８によって生じた段差を解消するため、層間絶縁膜１４１５を１７０ｎｍ程度ＣＭＰ法にて研磨することで平坦にする。層間絶縁膜１４１５は３端子スイッチ素子１４１８の段差を確実に埋めるために、高密度プラズマを使用してＳｉＯ2を成膜することが望ましい。【０３５３】
（工程６）
次に、層間絶縁膜１４１５の上に層間絶縁膜１４１６（例えば、比誘電率の低いＳｉＯＣ、ＳｉＯ2の積層）を堆積し、その後、プラグ１４０６用の下穴および第２配線１４１２用の配線溝をドライエッチングによって形成し、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝及び当該下穴内に第２バリアメタル１４１１（例えば、ＴａＮ／Ｔａ）を介して第２配線１４１２（例えば、Ｃｕ）及びプラグ１１０６（例えば、Ｃｕ）を同時に形成し、その後、第２配線１４１２を含む層間絶縁膜１４１６上にバリア絶縁膜１４１７（例えば、ＳｉＣＮ膜）を堆積する。工程６において、第２配線１４１２およびプラグ１４０６の形成は、例えば、ＰＶＤ法によって第２バリアメタル１４１１（例えば、ＴａＮ／Ｔａの積層膜）を形成し、ＰＶＤ法によるＣｕシードの形成後、電解めっき法によって銅を配線溝内に埋設し、２００℃以上の温度で熱処理処理後、ＣＭＰ法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の銅配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。工程６では、第２バリアメタル１４１１とイオン伝導層１４０４と接する側面が第１電極１４０１となっている。また、工程６において、層間絶縁膜１４１６及びバリア絶縁膜１４１７はプラズマＣＶＤ法で形成することができる。工程６ではプラグ１４０６の下穴を形成する際、バリア絶縁膜１４０５に到達している。プラグ１４０６用の下穴および第２配線１４１２用の配線溝のドライエッチングには、フルオロカーボン系のガスを用いる。
以上、実施形態（及び実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態（及び実施例）に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。【０３５４】
この出願は、２０１２年  ９月２８日に出願された日本出願特願２０１２−２１７３１９を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【０３５５】
本発明に係るスイッチング素子は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用できる。【０３５６】
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。【０３５７】
（付記１）
多層配線を構成するＣｕプラグもしくはＣｕ配線と電気的に接続した金属膜の側壁部である第１電極と、
前記第１電極とは異なるＣｕ配線に電気的に接続した金属膜の側壁部である第２電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に挟まれた絶縁膜とを具え、
電界によってイオン化した金属が移動可能なイオン伝導層が、前記第１電極と前記第２電極の側面に接している
ことを特徴とするスイッチング素子。【０３５８】
（付記２）
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層に供給する少なくとも一つの第３電極を有し、該第３電極が多層配線を形成するＣｕ配線で構成されている
ことを特徴とする付記１に記載のスイッチング素子。【０３５９】
（付記３）
多層配線を構成するＣｕプラグもしくはＣｕ配線と電気的に接続した金属膜の側壁部である第１電極と、
前記第１電極とは異なるＣｕ配線である第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極の間に挟まれた絶縁膜とを具え、
電界によってイオン化した金属が移動可能なイオン伝導層が、前記第１電極の側面と前記第２電極の上面および側面に接しており、
前記イオン伝導層に接し、金属イオンを前記イオン伝導層に供給する少なくとも一つの第３電極を有し、該第３電極が多層配線を形成するＣｕ配線で構成されている
ことを特徴とするスイッチング素子。【０３６０】
（付記４）
前記第１電極、もしくは前記第２電極の少なくともどちらかが、凸型の曲率を有している
ことを特徴とする付記１〜付記３のいずれかに記載のスイッチング素子。【０３６１】
（付記５）
前記イオン伝導層の上面が、前記金属イオンを遮断するイオンバリア層で覆われている
ことを特徴とする付記１〜付記４のいずれかに記載のスイッチング素子。【０３６２】
（付記６）
半導体基板上の多層配線層の内部にスイッチング素子を有する半導体装置であって、
前記多層配線は、少なくとも、Ｃｕ配線とＣｕプラグを備え、
前記Ｃｕ配線上にはバリア絶縁膜が設けられ、
前記バリア絶縁膜には２つの前記Ｃｕ配線に達する開口部がそれぞれ１箇所ずつ設けられており、
前記Ｃｕ配線の１つに前記スイッチング素子の第２電極が電気的に接続し、
前記第２電極の上に絶縁膜を挟んで第１電極が設けられ、
該第１電極は前記Ｃｕプラグと電気的に接続し、
前記第１電極と前記第２電極の側面ともう１つのＣｕ配線上に電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層が接し、
該イオン伝導層に接し、かつ、前記第２電極とバリア絶縁膜によって絶縁された多層配線のＣｕ配線が第３電極を兼ね、
前記イオン伝導層の上面はバリア絶縁膜が設けられている
ことを特徴とする半導体装置。【０３６３】
（付記７）
半導体基板上の多層配線層の内部にスイッチング素子を有する半導体装置であって、
前記多層配線は、少なくとも、Ｃｕ配線とＣｕプラグを備え、
前記Ｃｕ配線上にはバリア絶縁膜が設けられ、
前記バリア絶縁膜には２つの前記Ｃｕ配線に達する開口部が１箇所設けられており、
前記Ｃｕ配線の１つが第２電極を兼ね、
前記第２電極の上にバリア絶縁膜を挟んで第１電極が設けられ、
該第１電極は前記Ｃｕプラグと電気的に接続し、
前記第１電極と前記第２電極の側面ともう１つの前記Ｃｕ配線上に、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層が接し、
該イオン伝導層に接した前記多層配線のＣｕ配線が第３電極を兼ね、
前記イオン伝導層の上面はバリア絶縁膜が設けられている
ことを特徴とする半導体装置。【０３６４】
（付記８）
半導体基板上の多層配線層の内部にスイッチング素子を有する半導体装置であって、
前記多層配線は、少なくとも、Ｃｕ配線とＣｕプラグを備え、
前記Ｃｕ配線上にはバリア絶縁膜が設けられ、
前記バリア絶縁膜には２つの前記Ｃｕ配線に達する開口部が１箇所設けられており、
前記Ｃｕ配線の１つが第２電極を兼ね、
前記Ｃｕプラグの１つが第１電極を兼ね、
前記第１電極と前記第２電極の側面ともう１つの前記Ｃｕ配線上に、電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層が接し、
該イオン伝導層に接した前記多層配線のＣｕ配線が第３電極を兼ね、
前記イオン伝導層の上面はバリア絶縁膜が設けられている
ことを特徴とする半導体装置。【０３６５】
（付記９）
半導体基板上の多層配線層の内部にスイッチング素子を有する半導体装置の製造方法であって、
前記多層配線は、少なくとも、Ｃｕ配線とＣｕプラグを備え、
前記Ｃｕ配線上にはバリア絶縁膜が設けられ、
前記バリア絶縁膜には２つの前記Ｃｕ配線に達する開口部がそれぞれ１箇所ずつ設けられており、
前記Ｃｕ配線の１つに前記スイッチング素子の第２電極が電気的に接続し、
前記第２電極の上に絶縁膜を挟んで第１電極が設けられ、
該第１電極は前記Ｃｕプラグと電気的に接続し、
前記第１電極と前記第２電極の側面ともう１つのＣｕ配線上に電界によって金属イオンが移動可能なイオン伝導層が接し、
該イオン伝導層に接した前記多層配線のＣｕ配線が第３電極を兼ね、
前記イオン伝導層の上面はバリア絶縁膜が設けられており、
前記第３電極に接する前記バリア絶縁膜の開口部を開口する際、
前記第２電極、前記絶縁膜および前記第１電極で構成された積層膜をマスクの一部として使用する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
2014050198.tif 000003
【図２】
2014050198.tif 000004
【図３−１】
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【図３−２】
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【図４】
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【図５】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図７】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１−１】
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【図１１−２】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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