(57)【要約】【課題】素子分離が良く、かつ少なくとも高抵抗と低抵抗の２値を安定に保持し、リテンション不良が発生しない不揮発性記憶装置の素子構造を示し、かつ、その不揮発性記憶装置の製造方法を提供する。【解決手段】基板１８上に形成された第１の配線１３と、第１の配線１３上に形成された抵抗変化膜１２と、抵抗変化膜１２上に形成された、第１の配線１３と交差する第２の配線１４とでメモリセル１７が構成されている。メモリセル１７を構成する抵抗変化膜１２の側面２４と領域分離膜１６との間には、基板１８と第１の層間絶縁膜１９および第２の層間絶縁膜２１とで囲まれた所定の空間１５が設けられて抵抗変化膜１２が分離されている。【選択図】図１
2008218541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１の配線と、
前記第１の配線上に形成された抵抗変化膜と、
前記抵抗変化膜上に形成され前記第１の配線と交差する第２の配線と、
前記第２の配線に隣接し前記第２の配線を挟んで形成された第１の層間絶縁膜と、
前記抵抗変化膜を囲むように前記基板上に形成された領域分離膜と、
前記第２の配線、前記第１の層間絶縁膜および前記領域分離膜を覆う第２の層間絶縁膜と、を備え、
前記抵抗変化膜の側面と前記領域分離膜との間には、前記基板と前記第１の層間絶縁膜および前記第２の層間絶縁膜とで囲まれた所定の空間が設けられていることを特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項２】
基板上に形成されたストライプ形状の第１の配線と、
前記第１の配線上に形成された抵抗変化膜と、
前記抵抗変化膜が形成されたメモリ領域を少なくとも覆う第１の層間絶縁膜と、
前記第１の層間絶縁膜に形成された、前記第１の配線と交差するストライプ形状の溝の中に埋め込まれた第２の配線と、
前記メモリ領域を囲むように前記基板上に形成された領域分離膜と、
前記第２の配線、前記第１の層間絶縁膜および前記領域分離膜を覆う第２の層間絶縁膜と、を備え、
前記抵抗変化膜の側面と前記領域分離膜との間には、前記基板と前記第１の層間絶縁膜および前記第２の層間絶縁膜とで囲まれた所定の空間が設けられていることを特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項３】
前記抵抗変化膜の上部に形成された上部電極または前記抵抗変化膜の下部に形成された下部電極のうち、少なくともいずれかの電極をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項４】
基板上に形成されたストライプ形状の第１の配線と、
前記第１の配線上に形成された下部電極および上部電極に挟まれた抵抗変化膜と、
前記上部電極の側面の一部を取り囲み、前記抵抗変化膜が形成されたメモリ領域を少なくとも覆う第１の層間絶縁膜と、
前記第１の層間絶縁膜に形成された、前記第１の配線と交差するストライプ形状の溝の中に埋め込まれた第２の配線と、
前記メモリ領域を囲むように前記基板上に形成された領域分離膜と、
前記第２の配線、前記第１の層間絶縁膜および前記領域分離膜を覆う第２の層間絶縁膜と、を備え、
前記抵抗変化膜の側面と前記領域分離膜との間には、前記基板と前記第１の層間絶縁膜および前記第２の層間絶縁膜とで囲まれた所定の空間が設けられていることを特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項５】
前記メモリ領域は前記抵抗変化膜がマトリクス状に並んだ複数のメモリセルを構成する領域であることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項６】
前記抵抗変化膜は鉄の酸化物材料からなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の不揮発性記憶装置。
【請求項７】
前記所定の空間には酸素を含む気体が注入されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項８】
前記所定の空間に隣接して前記第１の層間絶縁膜の一部に開口が形成され、前記開口は前記メモリ領域内に２次元的に分布して形成されたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項９】
基板上にストライプ形状の第１の配線を形成する工程と、
前記第１の配線を覆い前記基板上に第３の層間絶縁膜を形成したのち前記第１の配線が露出するまで前記第３の層間絶縁膜を平坦化する工程と、
前記第１の配線および前記第３の層間絶縁膜の上に第４の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第４の層間絶縁膜を貫通して前記第１の配線上にコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホール中に抵抗変化膜を埋め込む工程と、
前記抵抗変化膜が形成されたメモリ領域を囲むように前記第４の層間絶縁膜を貫通して前記第３の層間絶縁膜または前記第１の配線上に第１の溝を形成する工程と、
前記第１の溝中に領域分離膜を埋め込む工程と、
前記領域分離膜および前記第４の層間絶縁膜上に前記メモリ領域を少なくとも覆う第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜を貫通して前記抵抗変化膜および前記第４の層間絶縁膜上に前記第１の配線と交差するストライプ形状の第２の溝を形成する工程と、
前記第２の溝を埋め込み前記第１の配線と交差するストライプ形状の第２の配線を形成する工程と、
前記領域分離膜で囲まれた前記メモリ領域を覆う前記第１の層間絶縁膜の一部を除去して前記第４の層間絶縁膜の一部を露出する開口形成準備工程と、
前記メモリ領域内の第４の層間絶縁膜をエッチングにより除去して所定の空間を形成する空間形成工程と、
前記空間形成工程ののちに前記所定の空間からの開口が前記第１の層間絶縁膜の一部に形成され、前記開口を第２の層間絶縁膜により封鎖する開口封鎖工程と、を含み、
前記抵抗変化膜の側面と前記領域分離膜との間には前記所定の空間が設けられていることを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法。
【請求項１０】
前記開口形成準備工程ののちに前記メモリ領域内の前記第１の層間絶縁膜において、前記開口が前記第２の配線と平行な方向にストライプ状に形成されたことを特徴とする請求項９に記載の不揮発性記憶装置の製造方法。
【請求項１１】
基板上にストライプ形状の第１の配線を形成する工程と、
前記第１の配線を覆い前記基板上に第３の層間絶縁膜を形成したのち前記第１の配線が露出するまで前記第３の層間絶縁膜を平坦化する工程と、
前記第１の配線および前記第３の層間絶縁膜の上に下部電極層、抵抗変化膜層および上部電極層を順に形成したのち、前記第１の配線上に下部電極、抵抗変化膜および上部電極からなる、マトリックス状に並んだ複数のメモリセルを形成する工程と、
前記第１の配線および前記第３の層間絶縁膜の上に形成し、前記複数のメモリセルの側面を前記上部電極の側面の高さまで埋め込む第４の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第４の層間絶縁膜を前記複数のメモリセルがマトリクス状に並んだ領域を少なくとも含むメモリ領域を残して除去する工程と、
前記メモリ領域を覆って前記第４の層間絶縁膜上に第１の層間絶縁膜を形成したのち、平坦化する工程と、
前記上部電極上に前記第１の配線と交差するようにストライプ形状の第２の配線を形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜の一部を除去して前記第４の層間絶縁膜の一部を露出する開口形成準備工程と、
前記メモリ領域内の第４の層間絶縁膜をエッチングにより除去して所定の空間を形成する空間形成工程と、
前記空間形成工程ののちに前記所定の空間からの開口が前記第１の層間絶縁膜の一部に形成され、前記開口を第２の層間絶縁膜により封鎖する開口封鎖工程と、を含み、
前記抵抗変化膜の側面と前記第１の層間絶縁膜との間には前記所定の空間が設けられていることを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法。
【請求項１２】
前記開口形成準備工程ののちに前記メモリ領域内の前記第１の層間絶縁膜において、前記開口は前記第２の配線と垂直な方向にストライプ形状に形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の不揮発性記憶装置の製造方法。
【請求項１３】
前記開口形成準備工程ののちに前記メモリ領域内の前記第１の層間絶縁膜において、前記開口が２次元的に分布して形成されたことを特徴とする請求項９または請求項１１に記載の不揮発性記憶装置の製造方法。
【請求項１４】
前記空間形成工程ののち前記開口封鎖工程の前に、前記所定の空間に酸素を含む気体を注入する工程を、さらに備えたことを特徴とする請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の不揮発性記憶装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細化および高速化に適した不揮発性記憶装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタル技術の進展に伴って携帯情報機器や情報家電等の電子機器が、より一層高機能化している。これらの電子機器の高機能化に伴い、使用される半導体装置の微細化および高速化が急速に進んでいる。
【０００３】
このような半導体装置の微細化および高速化を進めていく中で、半導体装置内にエアギャップを安定に形成した素子構造が提案されている。例えば、フィン型ＦＥＴにおいて、ＦＥＴの動作半導体層が半導体基板からエアギャップを挟んで隔てられて、ゲート電極のみで包み込み持ち上げた構造として形成されている（例えば、特許文献１参照）。このような構造にすることにより、フィン型ＦＥＴにおいて、微細化でゲート長が短くなり生じやすくなる短チャネル効果を抑制している。さらに、ゲート幅が大きくなるのでチャネル面積が大きくなり、フィン型ＦＥＴは高い電流駆動能力を得ることができる。
【０００４】
また、不揮発性記憶装置においてメモリセルの微細化を進めることにより隣接するフローティングゲート電極などの間隔が狭くなり、寄生する静電容量が大きくなるという課題が生じていた。この課題を解決するために隣接するゲート電極や配線層などの特定箇所を選択的に細らせて、電極間や配線層間の間隔を広げ、かつエアギャップを形成することにより、電極間や配線層間の寄生の静電容量が低減されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
また、半導体集積回路装置において、コンデンサを構成する電極と半導体基板に形成された配線との間にエアギャップを設けることにより、電極と配線との間の寄生容量が低減されたことを示した例がある（例えば、特許文献３参照）。また、高性能のＬＳＩを実現するために隣接する配線間に絶縁膜が堆積されないエアギャップを形成して絶縁膜の誘電率を実効的に低くする。そして、この絶縁膜を介してＣｕイオンのリークパスが形成されるのを防止することによりＣｕ配線間ＴＤＤＢ寿命が劣化しないようにした例もある（例えば、特許文献４参照）。
【０００６】
一方、抵抗変化膜を用いて高密度に集積化されたクロスポイント型の不揮発性記憶装置においては、隣接する抵抗変化膜はトレンチ構造の層間絶縁膜などにより分離されている（例えば、特許文献５参照）。
【特許文献１】特開２００５−２２８７８１号公報
【特許文献２】特開２００６−２２８８９３号公報
【特許文献３】特開平１１−３３０２３２号公報
【特許文献４】特開２００５−１３６１５２号公報
【特許文献５】特開２００４−２２８５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の不揮発性記憶装置の構成では、隣接する抵抗変化膜は層間絶縁膜などで分離されているだけなので、この層間絶縁膜を介して酸素の拡散などが発生し、リテンション不良が発生するなどの課題が生じる。また、上記で説明した半導体装置においては、エアギャップを素子構造に取り入れて性能の改善が行われているが、抵抗変化膜を用いた不揮発性記憶装置においては、隣接する抵抗変化膜の間をエアギャップで分離するような適切な素子構造が示されていない。したがって、このような酸素の拡散によりリテンション不良が発生することが課題となっていた。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するものであり、抵抗変化膜を用いた不揮発性記憶装置において、素子分離が良く、かつ少なくとも高抵抗と低抵抗の２値を安定に保持し、リテンション不良が発生しない不揮発性記憶装置の素子構造を示し、かつ、その不揮発性記憶装置の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の不揮発性記憶装置は、基板上に形成された第１の配線と、上記第１の配線上に形成された抵抗変化膜と、上記抵抗変化膜上に形成され上記第１の配線と交差する第２の配線と、上記第２の配線に隣接し上記第２の配線を挟んで形成された第１の層間絶縁膜と、上記抵抗変化膜を囲むように上記基板上に形成された領域分離膜と、上記第２の配線、上記第１の層間絶縁膜および上記領域分離膜を覆う第２の層間絶縁膜と、を備え、上記抵抗変化膜の側面と上記領域分離膜との間には、上記基板と上記第１の層間絶縁膜および上記第２の層間絶縁膜とで囲まれた所定の空間が設けられている構成からなる。
【００１０】
このような構成とすることにより、抵抗変化膜はメモリセルごとに所定の空間により素子分離を行うことができる。したがって、隣接する層間絶縁膜などがないので酸素が層間絶縁膜中を拡散することもなく、リテンション不良が発生することもない。また、抵抗変化膜はメモリセルの構成要素として所定の空間に囲まれているので、従来配置されている層間絶縁膜などを介しての浮遊容量や静電容量の影響も受けない。
【００１１】
また、本発明の不揮発性記憶装置は、基板上に形成されたストライプ形状の第１の配線と、第１の配線上に形成された抵抗変化膜と、抵抗変化膜が形成されたメモリ領域を少なくとも覆う第１の層間絶縁膜と、第１の層間絶縁膜に形成された、第１の配線と交差するストライプ形状の溝の中に埋め込まれた第２の配線と、メモリ領域を囲むように基板上に形成された領域分離膜と、第２の配線、第１の層間絶縁膜および領域分離膜を覆う第２の層間絶縁膜と、を備え、抵抗変化膜の側面と領域分離膜との間には、基板と第１の層間絶縁膜および第２の層間絶縁膜とで囲まれた所定の空間が設けられている構成としてもよい。
【００１２】
このような構成とすることにより、抵抗変化膜はメモリセルごとに所定の空間により素子分離を行うことができる。したがって、隣接する層間絶縁膜などがないので酸素が層間絶縁膜中を拡散することもなく、リテンション不良が発生することもない。また、抵抗変化膜はメモリセルの構成要素として所定の空間に囲まれているので、従来配置されている層間絶縁膜などを介しての浮遊容量や静電容量の影響も受けない。
【００１３】
また、抵抗変化膜の上部に形成された上部電極または抵抗変化膜の下部に形成された下部電極のうち、少なくともいずれかの電極をさらに備えた構成としてもよい。
【００１４】
このような構成とすることにより、抵抗変化膜と第１の配線および抵抗変化膜と第２の配線の接続を間に上部電極および下部電極を挟むことにより、さらに安定に形成することができる。加えて、抵抗変化膜を挟み込む電極の材料選択の範囲が広がり、メモリセルの性能を向上することができる。
【００１５】
また、本発明の不揮発性記憶装置は、基板上に形成されたストライプ形状の第１の配線と、第１の配線上に形成された下部電極および上部電極に挟まれた抵抗変化膜と、上部電極の側面の一部を取り囲み、抵抗変化膜が形成されたメモリ領域を少なくとも覆う第１の層間絶縁膜と、第１の層間絶縁膜に形成された、第１の配線と交差するストライプ形状の溝の中に埋め込まれた第２の配線と、メモリ領域を囲むように基板上に形成された領域分離膜と、第２の配線、第１の層間絶縁膜および領域分離膜を覆う第２の層間絶縁膜と、を備え、抵抗変化膜の側面と領域分離膜との間には、基板と第１の層間絶縁膜および第２の層間絶縁膜とで囲まれた所定の空間が設けられている構成としてもよい。
【００１６】
このような構成とすることにより、抵抗変化膜はメモリセルごとに所定の空間により素子分離を行うことができる。したがって、隣接する層間絶縁膜などがないので酸素が層間絶縁膜中を拡散することもなく、リテンション不良が発生することもない。また、抵抗変化膜はメモリセルの構成要素として所定の空間に囲まれているので、従来配置されている層間絶縁膜などを介しての浮遊容量や静電容量の影響も受けない。
【００１７】
また、メモリ領域は抵抗変化膜がマトリクス状に並んだ複数のメモリセルを構成する領域である構成としてもよい。
【００１８】
このような構成とすることにより、複数のメモリセルはメモリ領域の所定の空間の中にエアギャップにより素子分離された構成とすることができる。したがって、メモリセルは従来配置されている層間絶縁膜などを介しての浮遊容量や静電容量の影響も受けず、酸素の拡散によりリテンション不良が発生することもないので、プロセスルールの最小値のルールでマトリックス状に微細化されて配置されるとともに高速動作が可能となる。
【００１９】
また、抵抗変化膜は鉄の酸化物材料からなる構成としてもよい。このような構成とすることにより、抵抗変化膜が他の材料に比べて比較的低い低抵抗値と高抵抗値の２値の抵抗値を安定に持つ不揮発性記憶装置を実現することができる。
【００２０】
また、所定の空間には酸素を含む気体が注入された構成としてもよい。このような構成とすることにより、抵抗変化膜から酸素が拡散することにより生じるリテンション不良がさらに起こり難くなる。したがって、抵抗変化膜が２値の低抵抗値と高抵抗値とを保持する場合にさらに安定にそれぞれの抵抗値を保持することができる。
【００２１】
また、所定の空間に隣接して第１の層間絶縁膜の一部に開口が形成され、開口は前記メモリ領域内に２次元的に分布して形成された構成としてもよい。
【００２２】
このような構成とすることにより、メモリセルの素子構成としても安定に開口を形成して所定の空間を備えた不揮発性記憶装置を実現することができる。また、メモリ領域に気体が注入された所定の空間を形成しても、開口が２次元的に分布してパターン化されるので不揮発性記憶装置は力学的にも安定な構造に形成される。
【００２３】
また、本発明の不揮発性記憶装置の製造方法は、基板上にストライプ形状の第１の配線を形成する工程と、第１の配線を覆い基板上に第３の層間絶縁膜を形成したのち第１の配線が露出するまで第３の層間絶縁膜を平坦化する工程と、第１の配線および第３の層間絶縁膜の上に第４の層間絶縁膜を形成する工程と、第４の層間絶縁膜を貫通して第１の配線上にコンタクトホールを形成する工程と、コンタクトホール中に抵抗変化膜を埋め込む工程と、抵抗変化膜が形成されたメモリ領域を囲むように第４の層間絶縁膜を貫通して第３の層間絶縁膜または第１の配線上に第１の溝を形成する工程と、第１の溝中に領域分離膜を埋め込む工程と、領域分離膜および第４の層間絶縁膜上にメモリ領域を少なくとも覆う第１の層間絶縁膜を形成する工程と、第１の層間絶縁膜を貫通して抵抗変化膜および第４の層間絶縁膜上に第１の配線と交差するストライプ形状の第２の溝を形成する工程と、第２の溝を埋め込み第１の配線と交差するストライプ形状の第２の配線を形成する工程と、領域分離膜で囲まれたメモリ領域を覆う第１の層間絶縁膜の一部を除去して第４の層間絶縁膜の一部を露出する開口形成準備工程と、メモリ領域内の第４の層間絶縁膜をエッチングにより除去して所定の空間を形成する空間形成工程と、空間形成工程ののちに所定の空間からの開口が第１の層間絶縁膜の一部に形成され、開口を第２の層間絶縁膜により封鎖する開口封鎖工程と、を含み、抵抗変化膜の側面と領域分離膜との間には所定の空間が設けられている。
【００２４】
これにより、抵抗変化膜はメモリセルごとに所定の空間により素子分離を行うことができる。したがって、隣接する層間絶縁膜などがないので酸素が層間絶縁膜中を拡散することもなく、リテンション不良が発生することもない。また、抵抗変化膜はメモリセルの構成要素として所定の空間に囲まれているので、従来配置されている層間絶縁膜などを介しての浮遊容量や静電容量の影響も受けない。
【００２５】
また、開口形成準備工程ののちにメモリ領域内の前記第１の層間絶縁膜において、開口が第２の配線と平行な方向にストライプ状に形成されていてもよい。
【００２６】
これにより、メモリセルの素子構成としても安定に開口を形成して不揮発性記憶装置を製造することができる。また、開口により所定の空間を形成し、この所定の空間に気体を注入したのちに開口を封鎖する工程もさらに容易に行うことができる。
【００２７】
また、本発明の不揮発性記憶装置の製造方法は、基板上にストライプ形状の第１の配線を形成する工程と、第１の配線を覆い基板上に第３の層間絶縁膜を形成したのち第１の配線が露出するまで第３の層間絶縁膜を平坦化する工程と、第１の配線および第３の層間絶縁膜の上に下部電極層、抵抗変化膜層および上部電極層を順に形成したのち、第１の配線上に下部電極、抵抗変化膜および上部電極からなる、マトリックス状に並んだ複数のメモリセルを形成する工程と、第１の配線および第３の層間絶縁膜の上に形成し、複数のメモリセルの側面を上部電極の側面の高さまで埋め込む第４の層間絶縁膜を形成する工程と、第４の層間絶縁膜を複数のメモリセルがマトリクス状に並んだ領域を少なくとも含むメモリ領域を残して除去する工程と、メモリ領域を覆って第４の層間絶縁膜上に第１の層間絶縁膜を形成したのち、平坦化する工程と、上部電極上に第１の配線と交差するようにストライプ形状の第２の配線を形成する工程と、第１の層間絶縁膜の一部を除去して第４の層間絶縁膜の一部を露出する開口形成準備工程と、メモリ領域内の第４の層間絶縁膜をエッチングにより除去して所定の空間を形成する空間形成工程と、空間形成工程ののちに所定の空間からの開口が第１の層間絶縁膜の一部に形成され、開口を第２の層間絶縁膜により封鎖する開口封鎖工程と、を含み、抵抗変化膜の側面と第１の層間絶縁膜との間には所定の空間が設けられている。
【００２８】
これにより、抵抗変化膜はメモリセルごとに所定の空間により素子分離を行うことができる。したがって、隣接する層間絶縁膜などがないので酸素が層間絶縁膜中を拡散することもなく、リテンション不良が発生することもない。また、抵抗変化膜はメモリセルの構成要素として所定の空間に囲まれているので、従来配置されている層間絶縁膜などを介しての浮遊容量や静電容量の影響も受けない。そして、抵抗変化膜と第１の配線および抵抗変化膜と第２の配線の接続を間に上部電極および下部電極を挟むことにより、さらに安定に形成することができる。加えて、抵抗変化膜を挟み込む電極の材料選択の範囲が広がり、メモリセルの性能を向上することができる。
【００２９】
また、開口形成準備工程ののちにメモリ領域内の前記第１の層間絶縁膜において、開口は第２の配線と垂直な方向にストライプ形状に形成されていてもよい。
【００３０】
これにより、メモリセルの素子構成としても安定に開口を形成して不揮発性記憶装置を製造することができる。また、開口により所定の空間を形成し、この所定の空間に気体を注入したのちに開口を封鎖する工程もさらに容易に行うことができる。
【００３１】
また、開口形成準備工程ののちにメモリ領域内の第１の層間絶縁膜において、開口が２次元的に分布して形成されていてもよい。
【００３２】
これにより、メモリセルの素子構成としても安定に開口を形成して所定の空間を備えた不揮発性記憶装置を製造することができる。また、メモリ領域に気体が注入された所定の空間を形成しても、開口が２次元的に分布してパターン化されるので不揮発性記憶装置は力学的にも安定な構造に形成される。
【００３３】
また、空間形成工程ののち開口封鎖工程の前に、所定の空間に酸素を含む気体を注入する工程を、さらに備えていてもよい。これにより、抵抗変化膜から酸素が拡散することにより生じるリテンション不良がさらに起こり難くなる。したがって、抵抗変化膜が２値の低抵抗値と高抵抗値とを保持する場合にさらに安定にそれぞれの抵抗値を保持する不揮発性記憶装置を製造することができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の不揮発性記憶装置は、抵抗変化膜の側面が絶縁膜ではなく所定の空間で取り囲まれた構成になっている。また、抵抗変化膜がマトリクス状に形成された本発明の不揮発性記憶装置も同様に、抵抗変化膜の側面と隣に配置された抵抗変化膜の側面の間が絶縁膜ではなく、いわゆるエアギャップである所定の空間で構成されている。
【００３５】
このような構成により不揮発性記憶装置は素子分離が行われるので、酸素が層間絶縁膜中を拡散することもなく、リテンション不良が発生することもない。また、従来配置されている層間絶縁膜などを介しての浮遊容量や静電容量の影響も受けない。
【００３６】
さらに、所定の空間に酸素を含む気体を注入すると抵抗変化膜の側面はさらに安定化するので、抵抗変化膜から酸素が拡散することにより生じるリテンション不良がさらに起こり難くなる。したがって、不揮発性記憶装置は高抵抗値と抵抗値の２値をさらに安定に保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態にかかる不揮発性記憶装置とその製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。
【００３８】
（第１の実施の形態）
図１から図５は、本発明の第１の実施の形態を示す図である。図１は本発明の第１の実施の形態の不揮発性記憶装置１０の概略構成図を示す。図１（ａ）は半導体表面１１から見た不揮発性記憶装置１０の概略構成を示す模式図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線の断面を矢印方向から見た概略断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線の断面を矢印方向から見た概略断面図を示す。
【００３９】
図１（ａ）に示すように本実施の形態の不揮発性記憶装置１０は、半導体表面１１から見て基板（図示せず）上に抵抗変化膜１２を挟んで第１の配線１３と第２の配線１４が積層方向に抵抗変化膜１２の下部と上部に配置されている。また、抵抗変化膜１２の周囲にはエアギャップである所定の空間１５が形成され酸素を含む気体が注入されて満たされている。さらに、気体でミタサレタ所定の空間１５の周囲には領域分離膜１６が取り囲むように配置されている。この場合、メモリセル１７は抵抗変化膜１２を挟んだ第１の配線１３と第２の配線１４とで構成され、メモリセル１７の抵抗変化膜１２の側面は気体で満たされた所定の空間１５となっている。
【００４０】
また、図１（ｂ）および（ｃ）に示すように、不揮発性記憶装置１０は、基板１８上に形成された第１の配線１３と、第１の配線１３上に形成された抵抗変化膜１２と、抵抗変化膜１２上に形成され第１の配線１３と交差する第２の配線１４とでメモリセル１７が構成されている。そして、不揮発性記憶装置１０は、第２の配線１４に隣接し第２の配線１４を挟んで形成された第１の層間絶縁膜１９と、抵抗変化膜１２と分離して抵抗変化膜１２を囲むように基板１８上に形成された領域分離膜１６と、第２の配線１４、第１の層間絶縁膜１９および領域分離膜１６を覆う第２の層間絶縁膜２１とを備えた構成になっている。なお、領域分離膜１６の外側にはメモリセル１７および領域分離膜１６を囲むように第４の層間絶縁膜２２が形成され、第１の配線１３を挟んで第１の配線１３を取り囲むように第３の層間絶縁膜２３が形成されている。
【００４１】
さらに、不揮発性記憶装置１０において、抵抗変化膜１２の側面２４と領域分離膜１６との間には、基板１８と第１の層間絶縁膜１９および第２の層間絶縁膜２１とで囲まれた所定の空間１５が設けられて抵抗変化膜１２が分離されている。
【００４２】
このような構成とすることにより、抵抗変化膜１２はメモリセル１７ごとに所定の空間１５により素子分離を行うことができる。したがって、隣接する層間絶縁膜などがないので酸素が層間絶縁膜中を拡散することもなく、リテンション不良が発生することもない。また、抵抗変化膜１２はメモリセル１７の構成要素として所定の空間１５に囲まれているので、従来配置されている層間絶縁膜などを介しての浮遊容量や静電容量の影響も受けない。
【００４３】
図２は図１（ａ）に示す不揮発性記憶装置１０の半導体表面１１から第２の層間絶縁膜２１を除いた、すなわち第２の層間絶縁膜２１を形成する前の不揮発性記憶装置３０の概略構成を示す模式図である。図２に示すように、不揮発性記憶装置３０は第１の層間絶縁膜１９が最上層として表面に見えている。気体が満たされた所定の空間１５の開口３１、３２が、第１の層間絶縁膜１９を貫通して第２の配線１４に平行な方向に長辺を有する長方形形状に形成されている。なお、開口３１、３２は図２に示すように第２の配線１４を挟むように左右に形成されている。そして、第２の層間絶縁膜１９が第２の配線１４、第１の層間絶縁膜１９および開口３１、３２の上に形成される前に、この所定の空間１５は酸素を含む気体が注入され満たされることとなる。
【００４４】
図３は、図１で示した構成の不揮発性記憶装置１０の抵抗変化膜１２に電気的パルスを印加したときの抵抗値の変化を示したものである。ここでは、抵抗変化膜１２に鉄の酸化物材料からなる材料を使用している。例えば、Ｆｅ３Ｏ４が抵抗変化膜１２の材料として使用される。なお、抵抗変化膜１２を形成した直後の測定開始初期では抵抗変化膜１２の抵抗値はばらつくので、抵抗変化膜１２の抵抗値が略一定になる動作を行った後の抵抗値を図３に示している。
【００４５】
第１の配線１３と第２の配線１４との間にパルス幅の異なる２種類の電気的パルス（１μｓｅｃより長い長パルスおよび１μｓｅｃより短い短パルス）を交互に印加する。そうすると、両電極間に挟まれたＦｅ３Ｏ４材料からなる抵抗変化膜１２の抵抗値は、図３に示すように１．０×１０３Ωの低抵抗値と１．２×１０５Ωの高抵抗値とを交互に示して変化する。すなわち、図４に示すように、短パルス（例えば、電圧Ｅ１、パルス幅１０ｎｓｅｃ）を印加すると抵抗値が減少して１．０×１０３Ωの低抵抗値Ｒａを示し、長パルス（例えば、電圧Ｅ１、パルス幅１０μｓｅｃ）を印加すると抵抗値が増加して１．２×１０５Ωの高抵抗値Ｒｂを示す。このように、例えばＦｅ３Ｏ４のような鉄の酸化物材料からなる材料を使用すると、抵抗変化膜１２が他の材料に比べて比較的低い低抵抗値と高抵抗値の２値の抵抗値を安定に持つ不揮発性記憶装置１０を実現することができる。
【００４６】
また、図４に示すように２つの異なる抵抗値ＲａまたはＲｂのうち、抵抗変化膜１２の抵抗値のどちらか一方を情報「０」とし、もう一方を情報「１」とすると抵抗値がどちらであるかで異なる情報「０」または情報「１」を読み取ることができる。図４では大きい方の抵抗値Ｒｂを情報「０」に、小さい方の抵抗値Ｒａを情報「１」に割り当てている。図４に示すように、抵抗変化膜１２の抵抗値がＲｂのときに短パルスを印加すると、抵抗値Ｒａが記録されて、抵抗変化膜１２の情報は「０」から「１」に書き換えられる。また、同様に抵抗変化膜１２の抵抗値がＲａのときに長パルスを印加すると、抵抗値Ｒｂが記録されて、メモリセル１７の情報は「１」から「０」に書き換えられる。
【００４７】
この情報を読み取るときには、抵抗変化膜１２の抵抗値を変化させるときに印加する電気的パルスよりも振幅の小さい再生電圧Ｅ２を印加して、図５に示す抵抗値と対応した出力電流値が、読み取られる。この出力電流値ＩａまたはＩｂの値が抵抗値ＲａまたはＲｂに対応しているので、図５に示すように情報「０」または情報「１」が読み取られる。このようにして、第１の配線１３と第２の配線１４の交差する抵抗変化膜１２がメモリセル１７として動作することにより、不揮発性記憶装置１０が動作する。
【００４８】
ところで、鉄の酸化物材料であるＦｅ３Ｏ４が抵抗変化膜１２として高抵抗値と低抵抗値とを安定に保持して示している。この抵抗変化は低抵抗材料であるＦｅ３Ｏ４が抵抗変化を起こすのに必要な大きさ以上のパルス電圧を印加されることにより、第１の配線１３または第２の配線１４付近のＦｅ３Ｏ４が高抵抗材料であるγ−Ｆｅ２Ｏ３に変化することにより起こっていると考えられる。なお、この抵抗変化については材料中の鉄Ｆｅの移動ではなく酸素Ｏの移動により生じていると考えられる。すなわち、低抵抗状態から高抵抗状態または高抵抗状態から低抵抗状態への変化は、以下に示す化学反応式に従って変化する。
【００４９】
４Ｆｅ３Ｏ４＋２Ｏ２−  ←→  ６Ｆｅ２Ｏ３＋４ｅ  ・・・（式Ａ）
この抵抗変化は式Ａに示すように可逆反応であるが、低抵抗状態がエネルギー的に安定状態になっている。したがって、低抵抗状態のＦｅ３Ｏ４が安定状態であり、高抵抗状態のγ−Ｆｅ２Ｏ３が低抵抗状態のＦｅ３Ｏ４より酸素Ｏが多いので、この酸素Ｏをどこかに供給していくことができる経路があれば、この方向に材料の変化が起こりやすくなる。すなわち、酸素Oが抵抗変化膜から外へ拡散し易い状態が生じ、この状態のままである程度の時間が経過する場合、高抵抗状態のγ−Ｆｅ２Ｏ３材料は、酸素Oを拡散して放出することにより、少しずつＦｅ３Ｏ４に変化する。そうすると、２値のうちの高抵抗値は、１．２×１０５Ωの高抵抗値Ｒｂから徐々に抵抗値を低下させて高抵抗を保持する特性、いわゆるリテンション特性が劣化する。
【００５０】
ところで、抵抗変化膜を使用する不揮発性記憶装置においては、一般的に抵抗変化膜は他の抵抗変化膜や導電性の膜などとは層間絶縁膜で分離されている。このような構造では、層間絶縁膜を介して抵抗変化膜中の酸素が抵抗変化膜の外へ拡散して放出されていく可能性がある。
【００５１】
しかしながら、本発明の不揮発性記憶装置１０のように所定の空間１５を設けて、この所定の空間１５に酸素を含む気体が注入されているようにすると、抵抗変化膜１２から拡散により酸素が放出され難い。また、抵抗変化膜１２から酸素が放出されることが起こった場合でも、抵抗変化膜１２の側面は酸素を含む気体で満たされているので、この気体中より抵抗変化膜１２の酸素が補充されて、結果として抵抗変化膜１２全体での酸素の濃度が低下することがない。したがって、高抵抗値Ｒｂが徐々に抵抗値を低下させる、リテンション特性の劣化は起こらない。その結果、抵抗変化膜１２が２値の低抵抗値と高抵抗値とを保持する場合にさらに安定にそれぞれの抵抗値を保持することができる。
【００５２】
（第２の実施の形態）
図６および図７は本発明の第２の実施の形態の不揮発性記憶装置４０の概略構成図を示す。図６は半導体表面４１から見た不揮発性記憶装置４０の概略構成を示す模式図である。図７（ａ）は図６のＣ−Ｃ線の断面を矢印方向から見た概略断面図、図７（ｂ）は図６のＤ−Ｄ線の断面を矢印方向から見た概略断面図を示す。
【００５３】
図６に示すように本実施の形態の不揮発性記憶装置４０は、半導体表面４１から見て基板（図示せず）上に抵抗変化膜１２を挟んでストライプ形状の第１の配線１３とストライプ形状の第２の配線１４が積層方向にマトリクス状に並んだ抵抗変化膜１２の上部と下部に配置されている。なお、第２の配線１４はストライプ状に形成された第２の溝４３に形成されている。
【００５４】
また、抵抗変化膜１２の周囲にはエアギャップである所定の空間４２が形成され酸素を含む気体が注入されて満たされている。この気体は、第1の層間絶縁膜（図示せず）の一部に形成された開口４４により注入される。なお、この開口４４は図6では第２の配線１４に平行な方向にストライプ形状に形成されている。このような構成とすることにより、メモリセルの素子構成としても安定に開口を形成して不揮発性記憶装置を製造することができる。また、開口により所定の空間を形成し、この所定の空間に気体を注入したのちに開口を封鎖する工程もさらに容易に行うことができる。
【００５５】
さらに、気体で満たされた所定の空間４２の周囲には領域分離膜１６が取り囲むように配置されている。この場合、例えば破線で囲まれた領域Ｅにあるメモリセル１７は抵抗変化膜１２を挟んだ第１の配線１３ｂと第２の配線１４ｂとで構成され、メモリセル１７の抵抗変化膜１２の側面は気体で満たされた所定の空間４２となっている。このようにメモリ領域Ｆには、抵抗変化膜１２が第１の配線１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄと第２の配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄとに挟まれた構成のマトリクス状のメモリセル１７が配置されている。
【００５６】
また、図７（ａ）および（ｂ）で示すように不揮発性記憶装置４０は、基板１８上に形成されたストライプ形状の第１の配線１３と、第１の配線１３上に形成された抵抗変化膜１２と、抵抵抗変化膜１２が形成されたメモリ領域Fを少なくとも覆う第１の層間絶縁膜１９とで構成されている。そして、第１の層間絶縁膜１９に形成された、第１の配線１３と交差するストライプ形状の第２の溝４３の中に埋め込まれた第２の配線１４とを備えることにより、メモリセル１７は抵抗変化膜１２の下部と上部にそれぞれ第１の配線１３と第２の配線１４とを配置して構成されている。そして、不揮発性記憶装置４０は、抵抗変化膜１２が形成された破線で囲まれたメモリ領域Ｆと分離してメモリ領域Ｆを囲むように基板１８上に形成された領域分離膜１６と、第２の配線１４、第１の層間絶縁膜１９および領域分離膜１６を覆う第２の層間絶縁膜２１と、を備えた構成となっている。ここで、メモリ領域Ｆは抵抗変化膜１２が島のようにマトリクス状に並んだ複数のメモリセル１７を構成する領域である。
【００５７】
なお、領域分離膜１６の外側にはメモリ領域Ｆおよび領域分離膜１６を囲むように第４の層間絶縁膜２２が形成され、第１の配線１３を挟んで第１の配線１３を取り囲むように第３の層間絶縁膜２３が形成されている。
【００５８】
さらに、不揮発性記憶装置４０において、メモリ領域Ｆを構成する抵抗変化膜１２の側面２４と領域分離膜１６との間には、基板１８と第１の層間絶縁膜１９および第２の層間絶縁膜２１とで囲まれた所定の空間４２が設けられて抵抗変化膜１２が分離されている。ここで抵抗変化膜１２はマトリクス状の島のような形にそれぞれが分離されている。
【００５９】
このような構成とすることにより、抵抗変化膜１２はメモリセル１７ごとに所定の空間４２により素子分離を行うことができる。したがって、隣接する層間絶縁膜などがないので酸素が層間絶縁膜中を拡散することもなく、リテンション不良が発生することもない。また、抵抗変化膜１２はメモリセル１７の構成要素として所定の空間１５に囲まれているので、従来配置されている層間絶縁膜などを介しての浮遊容量や静電容量の影響も受けない。
【００６０】
このように構成された不揮発性記憶装置４０のそれぞれのメモリセル１７は第１の実施の形態と同様に、第１の実施の形態で説明した２値の高抵抗値と低抵抗値を安定に保持して動作したが、ここでは説明を省略する。
【００６１】
次に本実施の形態で示した不揮発性記憶装置４０の製造方法について図８、図９および図１０を用いて順にプロセスフローの一例について説明する。
【００６２】
本実施の形態による図７（ａ）および（ｂ）に示す不揮発性記憶装置４０の製造方法は、基板１８上にストライプ形状の第１の配線１３を形成する工程と、第１の配線１３を覆い基板１８上に第３の層間絶縁膜２３を形成したのち第１の配線１３が露出するまで第３の層間絶縁膜２３を平坦化する工程と、を含んだ構成となっている。そして、第１の配線１３および第３の層間絶縁膜２３の上に第４の層間絶縁膜２２を形成する工程と、第４の層間絶縁膜２２を貫通して第１の配線１３上にコンタクトホール４５を形成する工程と、コンタクトホール４５中に抵抗変化膜１２を埋め込む工程と、を含んだ構成になっている。このようにして、抵抗変化膜１２はその隣に配置する抵抗変化膜１２および他の電気的に動作する導電性の膜などから適切に分離して形成されている。
【００６３】
また、不揮発性記憶装置４０の製造方法は、抵抗変化膜１２が形成されたメモリ領域Ｆを囲むように第４の層間絶縁膜２２を貫通して第３の層間絶縁膜２３または第１の配線１３上に第１の溝４６を形成する工程と、第１の溝４６中に領域分離膜１６を埋め込む工程と、領域分離膜１６および第４の層間絶縁膜２２上にメモリ領域Ｆを少なくとも覆う第１の層間絶縁膜１９を形成する工程と、を含む。そして、第１の層間絶縁膜１９を貫通して抵抗変化膜１２および第４の層間絶縁膜２２上に第１の配線１３と交差するストライプ形状の第２の溝４３を形成する工程と、第２の溝４３を埋め込み第１の配線１３と交差するストライプ形状の第２の配線１４を形成する工程と、を含んでいる。このような構成により、メモリセル１７を形成している。
【００６４】
そして、不揮発性記憶装置４０の製造方法は、領域分離膜１６で囲まれたメモリ領域Ｆを覆う第１の層間絶縁膜１９の一部を除去して第４の層間絶縁膜２２の一部を露出する開口形成準備工程と、メモリ領域内の第４の層間絶縁膜２２をエッチングにより除去して所定の空間４２を形成する空間形成工程と、を含んでいる。この空間形成工程ののちに所定の空間４２からの開口４４が第１の層間絶縁膜１９の一部に形成され、開口４４を第２の層間絶縁膜２１により封鎖する開口封鎖工程と、を含み、抵抗変化膜１２の側面２４と領域分離膜１６との間には所定の空間４２が設けられて、抵抗変化膜１２が分離されているように製造される。このように構成される不揮発性記憶装置４０の製造方法について、順にプロセスフローを具体的に説明する。
【００６５】
図８（ａ）に示すように、例えば、Ｓｉ基板１８上にＰｔ材料からなるストライプ形状の第１の配線１３をスパッタ法とドライエッチング法で幅０．１μｍ、厚さ０．１μｍで所定方向に伸張するように形成する。さらに、ＣＶＤ法等により、例えばＳｉＮ膜を第３の層間絶縁膜２３として基板１８および第１の配線１３を覆って厚さ２５０μｍとなるように堆積する。
【００６６】
そして、図８（ｂ）に示すように第３の層間絶縁膜２３の表面４７を平坦化処理する。この平坦化処理は、例えば、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）、レジスト・エッチバック、SOG(spin on glass)・エッチバック技術を用いて、第１の配線１３の上面が露出するまで平坦に除去したのち、ＣＶＤ法等により第１の配線１３および第３の層間絶縁膜２３の上に、例えばＳｉ酸化膜からなる０．３μｍの厚さの第４の層間絶縁膜２２を堆積する。さらに、図８（ｂ）に示すように、例えば、ドライエッチング法により直径８０ｎｍのコンタクトホール４５が第1の配線１３上に第４の層間絶縁膜２２を貫通して形成される。このコンタクトホール４５はスパッタ法を用いて、ここでは鉄の酸化物材料、例えばＦｅ３Ｏ４を供給して抵抗変化膜１２を形成することにより埋め込まれる。そして、この抵抗変化膜１２は第４の層間絶縁膜２２上にも積層するが、例えばＣＭＰ技術を用いて第４の層間絶縁膜２２の表面が露出するまで除去されて、図８（ｃ）に示すように、抵抗変化膜１２はコンタクトホール４５の中にだけ埋め込まれることとなる。
【００６７】
図８（ｄ）は第４の層間絶縁膜２２を貫通して第３の層間絶縁膜２３または第１の配線１３上にメモリ領域Ｆとなる領域４８を取り囲むように形成された第１の溝４６を示す。この第１の溝４６はドライエッチングによりＳｉＮ膜とＳｉO膜とのエッチング速度の差を利用して形成される。この第１の溝４６は、例えばスパッタ法によりＳｉＮ膜で埋め込まれて領域分離膜１６が形成され、ＳｉＮ膜は領域分離膜１６、第４の層間絶縁膜２２および抵抗変化膜１２上にも積層するが、例えばＣＭＰ技術により第４の層間絶縁膜２２および抵抗変化膜１２の表面が露出するまで除去されて図９（ａ）に示すようになる。
【００６８】
さらに、図９（ｂ）に示すように領域分離膜１６、第４の層間絶縁膜２２および抵抗変化膜１２上に、スパッタ法により、ＳｉＮ膜からなる厚さ０．１μｍの第１の層間絶縁膜１９を積層したのち、ドライエッチングにより第１の層間絶縁膜１９を貫通して抵抗変化膜１２および第４の層間絶縁膜２２上に第１の配線１３と交差する幅０．１μｍのストライプ形状の第２の溝４３を形成する。そして、スパッタ法により、例えばＰｔ材料からなる第２の配線１４を第２の溝４３に埋め込んだのち第１の層間絶縁膜１９を覆って積層したＰｔの層を、例えばＣＭＰ技術により第１の層間絶縁膜１９が露出するように除去して図９（ｃ）に示すように形成する。そして、開口形成準備工程として、ドライエッチングにより図９（ｄ）に示すように領域分離膜４６で囲まれた領域を覆う第１の層間絶縁膜１９の一部が除去される。その結果、第４の層間絶縁膜２２の一部が表面４９として露出するように幅０．６μｍの開口４４はストライプ形状の第２の配線１４を挟むように図９（ｄ）に示すように形成される。
【００６９】
このように形成した開口４４からウェットエッチングによりエッチング液を注入して、図１０（ａ）に示すように領域分離膜１６で囲まれたメモリ領域５０内の第４の層間絶縁膜２２を除去していく。そして、メモリ領域５０内の第４の層間絶縁膜２２を全て除去し、ウェットエッチングによる反応生成物やエッチャントなど全てを取り去り、図１０（ｂ）に示すような所定の空間４２を形成する。さらに所定の空間４２に開口４４から酸素を含む気体を注入したのちに、常圧プラズマＣＶＤ法などによりＳｉO材料からなる第２の層間絶縁膜２１を形成して図１０（ｃ）に示す不揮発性記憶装置４０が実現できる。なお、所定の空間４２はその開口４４を第２の層間絶縁膜２１で封鎖されることになる。このようにして不揮発性記憶装置４０において、抵抗変化膜１２の側面２４と領域分離膜１６との間には所定の空間４２が設けられて、抵抗変化膜１２が分離されて形成されている構成が実現できる。
【００７０】
このような構成とすることにより、抵抗変化膜１２はメモリセル１７ごとに所定の空間４２により素子分離を行うことができる。したがって、隣接する層間絶縁膜などがないので酸素が層間絶縁膜中を拡散することもなく、リテンション不良が発生することもない。また、抵抗変化膜１２はメモリセル１７の構成要素として所定の空間１５に囲まれているので、従来配置されている層間絶縁膜などを介しての浮遊容量や静電容量の影響も受けない。
【００７１】
また、第１の実施の形態で説明したように本実施の形態の不揮発性記憶装置４０においても、第１の実施の形態と同様に不揮発性記憶装置４０のメモリ領域５０に所定の空間４２を設けている。そして、この所定の空間４２に酸素を含む気体が注入されているようにすると、抵抗変化膜１２から拡散により酸素が放出され難い。また、抵抗変化膜１２から酸素が放出されることが起こった場合でも、抵抗変化膜１２の側面は酸素を含む気体で満たされているので、この気体中より抵抗変化膜１２の酸素が補充されて、結果として抵抗変化膜１２全体での酸素の濃度が低下することがない。したがって、高抵抗値Ｒｂが徐々に抵抗値を低下させる、リテンション特性の劣化は起こらない。その結果、抵抗変化膜１２が２値の低抵抗値と高抵抗値とを保持する場合にさらに安定にそれぞれの抵抗値を保持することができる。
【００７２】
図１１は半導体表面４１から見た不揮発性記憶装置５０の概略構成を示す模式図であり、上記で説明した第２の実施の形態の他の一例について示す。
【００７３】
図１１の不揮発性記憶装置５０は、図６の不揮発性記憶装置４０のストライプ状の開口４４に代えて、複数の開口５９を所定の空間４２に隣接して、同じメモリ領域F内の第１の層間絶縁膜（図示せず）の一部に２次元的に分布して形成したものである。このような構成にすると所定の空間４２の上部に位置する第１の層間絶縁膜に複数の開口５９が形成されていても、不揮発性記憶装置５０は力学的にも安定な構造に形成される。
【００７４】
なお、第１および第２の実施の形態において、メモリセルは、抵抗変化膜を挟んで上部電極や下部電極などの電極が抵抗変化膜と第１の配線または第２の配線の間の少なくとも一方に形成された構成をしていてもよい。このような構成にすることにより、抵抗変化膜を挟み込む電極の材料選択の範囲が広がり、メモリセルの性能を向上することができる。
【００７５】
（第３の実施の形態）
図１２および図１３は本発明の第３の実施の形態の不揮発性記憶装置６０の概略構成図を示す。図１２は半導体表面５１から見た不揮発性記憶装置６０の概略構成を示す模式図である。図１３（ａ）は図１１のＪ−Ｊ線の断面を矢印方向から見た概略断面図、図１３（ｂ）は図１２のＫ−Ｋ線の断面を矢印方向から見た概略断面図、図１３（ｃ）は図１２のＬ−Ｌ線の断面を矢印方向から見た概略断面図を示す。
【００７６】
図１２に示すように本実施の形態の不揮発性記憶装置６０は、半導体表面５１から見て基板（図示せず）上に抵抗変化膜１２を挟んでストライプ形状の第１の配線１３とストライプ形状の第２の配線１４が積層方向にマトリクス状に並んだ抵抗変化膜１２の上部と下部に配置されている。なお、第２の配線１４はストライプ状に形成された第２の溝５３に形成されている。
【００７７】
しかしながら、抵抗変化膜１２は、その上部と下部にそれぞれ上部電極（図示せず）と下部電極（図示せず）を配置して上部電極と下部電極に挟まれた構成をしている。そして、抵抗変化膜１２は、さらに下部電極の上部の第１の配線と上部電極の上部の第２の配線とで挟まれてメモリセル５５を構成している。
【００７８】
また、抵抗変化膜１２の周囲にはエアギャップである所定の空間５２が形成され酸素を含む気体が注入されて満たされている。この気体は、第1の層間絶縁膜（図示せず）の一部に形成された開口５４により注入される。なお、この開口５４は図１１では第２の配線１４に垂直な方向にストライプ形状に形成されている。このような構成とすることにより、メモリセルの素子構成としても安定に開口を形成して不揮発性記憶装置を製造することができる。また、開口により所定の空間を形成し、この所定の空間に気体を注入したのちに開口を封鎖する工程もさらに容易に行うことができる。
【００７９】
さらに、図１２に示すように気体で満たされた所定の空間５２の周囲には、第１の層間絶縁膜１９が取り囲むように配置されている。この場合、例えば破線で囲まれた領域Ｅにあるメモリセル５５は抵抗変化膜１２を挟んだ第１の配線１３ｂと第２の配線１４ｂとで構成され、メモリセル５５の抵抗変化膜１２の側面は気体で満たされた所定の空間５２となっている。このようにメモリ領域Ｆには、抵抗変化膜１２が第１の配線１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄと第２の配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄとに挟まれた構成のマトリクス状のメモリセル５５が配置されている。
【００８０】
また、図１３（ａ）および（ｂ）で示すように不揮発性記憶装置６０は、基板１８上に形成されたストライプ形状の第１の配線１３と、第１の配線１３上に形成された上部電極５７と下部電極５８とに挟まれた抵抗変化膜１２と、上部電極５７上に形成され上部電極５７が形成された領域を少なくとも覆う第１の層間絶縁膜１９とで構成されている。そして、第１の層間絶縁膜１９に形成された、第１の配線１３と交差するストライプ形状の第２の溝５３の中に埋め込まれた第２の配線１４とを備えることにより、メモリセル５５は抵抗変化膜１２の下部と上部にそれぞれ第１の配線１３および下部電極５８と上部電極５７および第２の配線１４とを配置して構成されている。そして、不揮発性記憶装置４０は、抵抗変化膜１２が形成された破線で囲まれたメモリ領域Ｆと分離してメモリ領域Ｆを囲むように下部電極５８または第３の層間絶縁膜２３上に形成された第１の層間絶縁膜１９と、第２の配線１４および第１の層間絶縁膜１９を覆う第２の層間絶縁膜２１と、を備えた構成となっている。ここで、メモリ領域Ｆは抵抗変化膜１２が島のようにマトリクス状に並んだ複数のメモリセル５５を構成する領域である。
【００８１】
なお、図１３では所定の空間５２を取り囲んで第１の層間絶縁膜１９を形成しているが、所定の空間５２の側面を取り囲む部分は、第２の実施の形態における図７で示したように領域分離膜１６を形成してもよい。そして、図１３（ａ）および（ｂ）の第１の層間絶縁膜１９の側面の外側にはメモリ領域Ｆおよび第１の層間絶縁膜１９を囲むように第４の層間絶縁膜２２が形成され、第１の配線１３を挟んで第１の配線１３を取り囲むように第３の層間絶縁膜２３が形成されている。
【００８２】
さらに、不揮発性記憶装置６０において、メモリ領域Ｆを構成する抵抗変化膜１２の側面５６と第１の層間絶縁膜１９との間には、基板１８、第１の配線１３、第３の層間絶縁膜２３、第１の層間絶縁膜１９および第２の層間絶縁膜２１とで囲まれた所定の空間５２が設けられて抵抗変化膜１２が上部電極５７と下部電極５８とに挟まれて分離されている。ここで抵抗変化膜１２はマトリクス状の島のような形にそれぞれが分離されている。
【００８３】
このような構成とすることにより、抵抗変化膜１２はメモリセル５５ごとに所定の空間５２により隣接する抵抗変化膜１２から素子分離を行うことができる。したがって、隣接する層間絶縁膜などがないので酸素が層間絶縁膜中を拡散することもなく、リテンション不良が発生することもない。また、抵抗変化膜１２はメモリセル５５の構成要素として所定の空間５２に囲まれているので、従来配置されている層間絶縁膜などを介しての浮遊容量や静電容量の影響も受けない。また、抵抗変化膜１２は上部電極５７と下部電極５８とに挟まれて構成されるので、電気的にも力学的にも安定して構成することができる。すなわち、抵抗変化膜１２との電気的接続に適した材料で上部電極５７および下部電極５８を構成することができ、これらの電極と電気的に接続される第１の配線１３および第２の配線１４は抵抗変化膜１２との接続を考えずに配線材料を選択することができる。
【００８４】
図１３（ｃ）は図１２のＬ−Ｌ線の断面を矢印方向から見た概略断面図を示す。第１の層間絶縁膜１９において、第２の配線１４に垂直な方向にストライプ形状の開口５４が形成されている。この開口５４を用いて所定の空間５２が形成されたのち第２の層間絶縁膜２１により封鎖されていることがわかる。
【００８５】
このように構成された不揮発性記憶装置６０のそれぞれのメモリセル１７は、第１の実施の形態で説明した２値の高抵抗値と低抵抗値を安定に保持して動作したが、説明は省略する。
【００８６】
次に本実施の形態で示した不揮発性記憶装置６０の製造方法について図１４、図１５および図１６を用いて順にプロセスフローの一例について説明する。なお、第２の実施の形態で示した工程と同様の工程については、同様の方法により製造している。
【００８７】
すなわち、本実施の形態による図１３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示す不揮発性記憶装置６０の製造方法は、図１４（ａ）に示す基板１８上にストライプ形状の第１の配線１３を形成する工程と、第１の配線１３を覆い基板１８上に第３の層間絶縁膜２３を形成したのち図１４（ｂ）に示すように第１の配線１３が露出するまで第３の層間絶縁膜２３を平坦化する工程と、を含んだ構成となっている。そして、図１４（ｂ）に示すように第１の配線１３および第３の層間絶縁膜２３の上に下部電極層６１、抵抗変化膜層６２および上部電極層６３を順に形成したのち第１の配線１３上に下部電極５８、抵抗変化膜１２および上部電極５７からなる、マトリクス状に並んだ複数のメモリセル５５を図１４（ｃ）に示すように形成する工程と、を含んでいる。
【００８８】
さらに、不揮発性記憶装置６０の製造方法は、第１の配線１３および第３の層間絶縁膜２３の上に形成し、複数のメモリセル５５の側面を上部電極５７の側面６４の高さまで埋め込む第４の層間絶縁膜２２を図１４（ｄ）に示すように形成する工程と、図１５（ａ）に示すように第４の層間絶縁膜２２を複数のメモリセル５５がマトリクス状に並んだ領域を少なくとも含むメモリ領域５０を残して除去する工程と、を含んでいる。そして、メモリ領域５０を覆って第４の層間絶縁膜２２上に窒素を含む第１の層間絶縁膜１９を形成したのち、図１５（ｂ）に示すように、例えばＣＭＰ技術により平坦化する工程と、上部電極５７上に第１の配線１３と交差するようにストライプ形状の第２の配線１４を形成する工程と、を含んでいる。第２の配線１４を形成するときには、図１５（ｃ）に示すように上部電極５７まで到達して上部電極５７の幅よりも広い第２の溝６５を形成し、この第２の溝６５に配線材料を埋め込むことにより図１５（ｄ）に示すように形成する。
【００８９】
そして、不揮発性記憶装置６０の製造方法は、図１６（ａ）に示すように第１の層間絶縁膜１９の一部を除去して第４の層間絶縁膜２２の一部を露出する開口形成準備工程と、図１６（ｂ）に示すようにメモリ領域内の第４の層間絶縁膜２２をエッチングにより除去して所定の空間５２を形成する空間形成工程と、を含んでいる。なお、図１６（ａ）および（ｂ）は、図１２のＬ−Ｌ線の断面から見た概略断面図で示している。この空間形成工程ののちに所定の空間５２からの開口５４が第１の層間絶縁膜１９の一部に形成され、開口４４を第２の層間絶縁膜２１により封鎖する開口封鎖工程と、を含み、抵抗変化膜１２の側面５６と第１の層間絶縁膜１９との間には所定の空間５２が設けられて、図１６（ｃ）および（ｄ）に示すように抵抗変化膜１２が分離されているように製造される。
【００９０】
このような構成とすることにより、抵抗変化膜はメモリセルごとに所定の空間により隣接する抵抗変化膜から素子分離を行うことができる。したがって、隣接する層間絶縁膜などがないので酸素が層間絶縁膜中を拡散することもなく、リテンション不良が発生することもない。また、抵抗変化膜はメモリセルの構成要素として所定の空間に囲まれているので、従来配置されている層間絶縁膜などを介しての浮遊容量や静電容量の影響も受けない。
【００９１】
そして、抵抗変化膜と第１の配線および抵抗変化膜と第２の配線の接続を間に上部電極および下部電極を挟むことにより、さらに安定に形成することができる。加えて、抵抗変化膜を挟み込む電極の材料選択の範囲が広がり、メモリセルの性能を向上することができる。
【００９２】
また、空間形成工程ののち開口封鎖工程の前に、所定の空間に酸素を含む気体を注入する工程を、さらに備えた構成としてもよく、このような構成とすることにより、抵抗変化膜が２値の低抵抗値と高抵抗値とを保持する場合にさらに安定にそれぞれの抵抗値を保持する不揮発性記憶装置を製造することができる。
【００９３】
このように構成される不揮発性記憶素子６０の製造方法について、第２の実施の形態と異なるところを順に具体的に説明する。本実施の形態では、抵抗変化膜１２はコンタクトホールに埋め込まれるのではなく、図１４（ｂ）に示すように下部電極層６１の上に積層される。すなわち、第１の配線１３および第３の層間絶縁膜２３の上にＣＶＤ法などによりタングステン（Ｗ）材料からなる下部電極層６１を厚さ０．２μｍで積層したのち、蒸着法により鉄の酸化物材料からなる抵抗変化膜層６２を厚さ０．１μｍで積層する。さらに、抵抗変化膜層６２の上にＣＶＤ法などによりタングステン（Ｗ）材料からなる上部電極層６２を厚さ０．２μｍで積層することにより形成する。そして、図１４（ｃ）に示すようにドライエッチング法により島状のメモリセル５５としてマトリクス状に配置して形成される。他の工程については第２の実施の形態とほぼ同様の方法により形成される。
【００９４】
なお、図１５（ａ）の第１の溝６６には、図１５（ｂ）に示すように第１の層間絶縁膜１９を形成して埋めたが、第２の実施の形態と同様に層間膜を形成して埋めてもよい。
【００９５】
また、図１６（ａ）および（ｂ）並びに図１２に示すように、開口５４は第２の配線１４と垂直な方向に形成されているので、所定の空間５２を囲む不揮発性記憶装置６０の構成は力学的にもさらに安定に形成されている。
【００９６】
なお、本実施の形態においても、第２の実施の形態の図１１で示した不揮発性記憶装置のように、複数の開口が２次元的に分布して形成される構成としてもよい。
【００９７】
なお、上記の第１の実施の形態から第３の実施の形態で用いた抵抗変化膜１２は材料として鉄の酸化物を例に説明したが、他の遷移金属であるニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）およびジルコニウム（Ｚｒ）などを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、素子分離が良くかつ少なくとも高抵抗と低抵抗の２値を安定に保持する高集積化に適した不揮発性記憶装置およびその製造方法を提供するものであり、電子機器の小型化、薄型化および高信頼性の実現に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の第１の実施の形態における不揮発性記憶装置を示す図で、（ａ）は半導体表面から見た概略構成を示す模式図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線の断面を矢印方向から見た概略断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線の断面を矢印方向から見た概略断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態における不揮発性記憶装置の半導体表面から第２の層間絶縁膜を除いて見た上面の概略構成を示す模式図
【図３】パルス幅の異なる2種類の電気的パルスを交互に印加した時のパルス数に対する抵抗変化膜の抵抗値の変化を示す図
【図４】２つの異なる抵抗値と情報「０」、情報「１」の関係を示す図
【図５】情報を読み取るときの２つの異なる抵抗値に対する出力電流値の対応関係を示す図
【図６】本発明の第２の実施の形態における不揮発性記憶装置の半導体表面から見た概略構成を示す模式図
【図７】本発明の第２の実施の形態における不揮発性記憶装置を示す図で、（ａ）は図６のＣ−Ｃ線の断面を矢印方向から見た概略断面図、（ｂ）は図６のＤ−Ｄ線の断面を矢印方向から見た概略断面図
【図８】（ａ）から（ｄ）は本発明の第２の実施の形態で用いた不揮発性記憶装置の製造方法を示す工程断面図
【図９】（ａ）から（ｄ）は本発明の第２の実施の形態で用いた不揮発性記憶装置の製造方法を示す工程断面図
【図１０】（ａ）から（ｃ）は本発明の第２の実施の形態で用いた不揮発性記憶装置の製造方法を示す工程断面図
【図１１】本発明の第２の実施の形態における不揮発性記憶装置の半導体表面から見た概略構成を示す模式図
【図１２】本発明の第３の実施の形態における不揮発性記憶装置の半導体表面から見た概略構成を示す模式図
【図１３】本発明の第３の実施の形態における不揮発性記憶装置を示す図で、（ａ）は図１２のＪ−Ｊ線の断面を矢印方向から見た概略断面図、（ｂ）は図１２のＫ−Ｋ線の断面を矢印方向から見た概略断面図、（ｃ）は図１２のＬ−Ｌ線の断面を矢印方向から見た概略断面図
【図１４】（ａ）から（ｄ）は本発明の第３の実施の形態で用いた不揮発性記憶装置の製造方法を示す工程断面図
【図１５】（ａ）から（ｄ）は本発明の第３の実施の形態で用いた不揮発性記憶装置の製造方法を示す工程断面図
【図１６】（ａ）から（ｄ）は本発明の第３の実施の形態で用いた不揮発性記憶装置の製造方法を示す工程断面図
【符号の説明】
【０１００】
１０，３０，４０，５０，６０    不揮発性記憶装置
１１，４１，５１    半導体表面
１２    抵抗変化膜
１３    第１の配線
１４    第２の配線
１５，４２，５２    所定の空間
１６    領域分離膜
１７，５５    メモリセル
１８    基板
１９    第１の層間絶縁膜
２１    第２の層間絶縁膜
２２    第４の層間絶縁膜
２３    第３の層間絶縁膜
２４，５６，６４    側面
２５    第２の層間絶縁膜
３１，３２，４４，５４，５９    開口
３５    メモリ領域
４３，５３，６５    第２の溝
４５    コンタクトホール
４６，６６    第１の溝
４７，４９    表面
４８    領域
５７    上部電極
５８    下部電極
６１    下部電極層
６２    抵抗変化膜層
６３    上部電極層
【図１】
2008218541.tif 000003
【図２】
2008218541.tif 000004
【図３】
2008218541.tif 000005
【図４】
2008218541.tif 000006
【図５】
2008218541.tif 000007
【図６】
2008218541.tif 000008
【図７】
2008218541.tif 000009
【図８】
2008218541.tif 000010
【図９】
2008218541.tif 000011
【図１０】
2008218541.tif 000012
【図１１】
2008218541.tif 000013
【図１２】
2008218541.tif 000014
【図１３】
2008218541.tif 000015
【図１４】
2008218541.tif 000016
【図１５】
2008218541.tif 000017
【図１６】
2008218541.tif 000018