(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属拡散防止の機能を有する第１絶縁層に設けられた第１電極および第２電極と、
前記第１絶縁層よりも上層に設けられ、前記第１電極および第２電極に接触する固体電解質層と、
前記固体電解質層を覆い、該固体電解質層の一部を露出させる開口部を有する金属拡散防止膜と、
前記開口部を介して前記固体電解質層と接触し、金属イオンを供給可能な第３電極と、
を有する固体電解質スイッチング素子。
【請求項２】
前記第１絶縁層および固体電解質層の間に設けられ、該固体電解質層が前記第１電極および第２電極と接触するための開口部が形成され、金属拡散防止の機能を有する第２絶縁層を備えた請求項１記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項３】
金属イオンを供給可能な第３電極と、
前記第３電極上に設けられ、該第３電極と接触する固体電解質層と、
前記固体電解質層上に設けられ、該固体電解質層と接触する第１電極および第２電極と、
前記固体電解質層の表面のうち前記第１電極、第２電極および第３電極のいずれにも接触していない部位を覆った金属拡散防止膜と、
を有する固体電解質スイッチング素子。
【請求項４】
絶縁層に設けられた第１電極および第２電極、ならびに該絶縁層に設けられ、金属イオンを供給可能な第３電極を有する配線構造と、
前記配線構造上に設けられ、前記第１電極、第２電極および第３電極に接触する固体電解質層と、
前記固体電解質層の表面のうち前記第１電極、第２電極および第３電極のいずれにも接触していない部位を覆った金属拡散防止膜と、
を有する固体電解質スイッチング素子。
【請求項５】
第１絶縁層に設けられ、金属イオンを供給可能な第３電極、ならびに該第１絶縁層上の第２絶縁層に設けられた第１電極および第２電極を有する配線構造と、
前記配線構造上に設けられ、前記第１電極、第２電極および第３電極に接触する固体電解質層と、
前記固体電解質層の表面のうち前記第１電極、第２電極および第３電極のいずれにも接触していない部位を覆った金属拡散防止膜と、
を有する固体電解質スイッチング素子。
【請求項６】
第１電極と、
前記第１電極上に設けられ、該第１電極と接触し、固体電解質を含有するスペーサ層と、
前記スペーサ層上に設けられ、該スペーサ層と接触する第２電極と、
前記スペーサ層に接触して設けられ、金属イオンを供給可能な第３電極と、
前記スペーサ層の表面のうち前記第１電極、第２電極および第３電極のいずれにも接触していない部位を覆った金属拡散防止膜と、
を有する固体電解質スイッチング素子。
【請求項７】
前記スペーサ層が絶縁膜を有する、請求項６記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項８】
前記絶縁膜が、シリコンと任意量の窒素、酸素、炭素から構成される化合物、または該化合物の組み合わせで構成される請求項７記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項９】
金属拡散防止の機能を有する絶縁層に設けられた第１電極と、
前記絶縁層上に設けられ、該第１電極と接触する固体電解質層と、
前記固体電解質層を覆い、該固体電解質層の一部を露出させる開口部を有する金属拡散防止膜と、
前記開口部を介して前記固体電解質層と接触する第２電極と、
前記絶縁層に設けられた開口部を介して前記固体電解質層と接触し、金属イオンを供給可能な第３電極と、
を有する固体電解質スイッチング素子。
【請求項１０】
前記第３電極が銅を含む金属からなる請求項１から９のいずれか１項記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項１１】
前記第３電極が、前記固体電解質層と接触していない部位がバリアメタルおよび金属拡散防止膜の少なくともいずれかで覆われている、請求項１０記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項１２】
前記バリアメタルが、タンタル、タンタルナイトライド、チタンおよびチタンナイトライドのうち少なくともいずれかを含む材料である、請求項１１記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項１３】
第１電極および第２電極が、タンタル、タンタルナイトライド、チタンおよびチタンナイトライドのうち少なくともいずれかを含む材料である、請求項１から９のいずれか１項記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項１４】
前記第１電極または第２電極が銅を含む材料である、請求項１から９のいずれか１項記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項１５】
前記金属拡散防止膜が、シリコンと任意量の窒素、酸素、炭素から構成される化合物膜である、請求項１から９のいずれか１項記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項１６】
前記第１絶縁層が、シリコンと任意量の窒素、酸素、炭素から構成される化合物膜である、請求項１または２記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項１７】
前記第２絶縁層が、シリコンと任意量の窒素、酸素、炭素から構成される化合物膜である、請求項２記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項１８】
前記固体電解質および第３電極の少なくともいずれか一方が、複数の絶縁膜が積層された多層絶縁膜に埋め込まれた、請求項１から９のいずれか１項記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項１９】
前記多層絶縁膜は、シリコンと任意量の窒素、酸素、炭素から構成される化合物絶縁膜、およびシリコン酸化膜よりも誘電率の低い低誘電率絶縁膜のうち少なくともいずれかの絶縁膜を有する、請求項１８記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項２０】
前記低誘電率絶縁膜が、シリコンと酸素の化合物でフッ素、水素および炭素を含む膜である、請求項１９記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項２１】
前記低誘電率絶縁膜が空孔を含む絶縁膜である、請求項１９記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項２２】
前記空孔の直径が２ｎｍ以下である、請求項２１記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項２３】
前記固体電解質層が、金属または半導体元素とカルコゲン元素とを含む化合物である、請求項１から９のいずれか１項記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項２４】
前記固体電解質層が、銅、タングステン、タンタル、モリブデン、クロム、チタンおよびコバルト等の金属のうちいずれかの硫化物、酸化物、または任意の硫黄−酸素比を持つ酸硫化物である、請求項１から９のいずれか１項記載の固体電解質スイッチング素子。
【請求項２５】
請求項１から９のいずれか１項記載の固体電解質スイッチング素子と、
配線およびビアプラグを有する多層配線とを備え、
前記第３電極が前記配線と同一層に設けられ、
前記固体電解質層が前記ビアプラグと同一層に設けられた集積回路。
【請求項２６】
請求項１から９のいずれか１項記載の固体電解質スイッチング素子と、
配線およびビアプラグを有する多層配線とを備え、
前記第３電極が前記ビアプラグと同一層に設けられ、
前記固体電解質層が前記配線と同一層に設けられた集積回路。
【請求項２７】
請求項１から９のいずれか１項記載の固体電解質スイッチング素子と、
複数の配線およびビアプラグを有する多層配線とを備え、
前記固体電解質層が、前記多層配線の最上配線層の上部の絶縁層と同一層に設けられ、または該絶縁層の一部に埋め込まれて設けられた集積回路。
【請求項２８】
絶縁層上に所定の距離だけ離れた第１開口パターン部および第２開口パターン部を有するレジストを形成する工程と、
第１のエッチングにより前記第１開口パターン部および第２開口パターン部の開口面積を拡大する工程と、
前記レジストをマスクとして前記絶縁層に第２のエッチングを行って、該絶縁層に第１開口部および第２開口部を形成する工程と、
前記レジストを除去した後、前記第１開口部および第２開口部に配線材料を埋め込んで、第１電極および第２電極を形成する工程と、
前記第１電極と前記第２電極に接触するように固体電解質層を形成する工程と、
前記固体電解質層を覆う金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記金属拡散防止膜に第３開口部を形成する工程と、
金属イオンを供給可能な配線材料を前記第３開口部に埋め込んで第３電極を形成する工程と、
を有する固体電解質スイッチング素子の製造方法。
【請求項２９】
絶縁層上に所定の距離だけ離れた第１開口パターン部および第２開口パターン部を有するレジストを形成する工程と、
前記レジストをマスクとして前記絶縁層に第１のエッチングを行って、該絶縁層に第１開口部および第２開口部を形成する工程と、
前記絶縁層に第２のエッチングを行って、前記第１開口部および第２開口部の開口面積を拡大する工程と、
前記レジストを除去した後、前記第１開口部および第２開口部に配線材料を埋め込んで、第１電極および第２電極を形成する工程と、
前記第１電極と前記第２電極に接触するように固体電解質層を形成する工程と、
前記固体電解質層を覆う金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記金属拡散防止膜に第３開口部を形成する工程と、
金属イオンを供給可能な配線材料を前記第３開口部に埋め込んで第３電極を形成する工程と、
を有する固体電解質スイッチング素子の製造方法。
【請求項３０】
前記第１電極および第２電極の形成方法が、
少なくとも前記第１開口部および第２開口部に前記配線材料を埋め込む工程と、
前記第１開口部と第２開口部以外の箇所に形成された前記配線材料を取り除く工程とを有する請求項２８または２９に記載の固体電解質スイッチング素子の製造方法。
【請求項３１】
第１電極、第２電極および第３電極を有する固体電解質スイッチング素子の製造方法であって、
第１絶縁層に第１の開口部を形成する工程と、
前記第１の開口部に金属イオンの供給可能な配線材料を埋め込んで前記第３電極を形成する工程と、
前記第１絶縁層上に第２絶縁層を形成する工程と、
前記第２絶縁層に第２の開口部を形成する工程と、
前記第２の開口部の側壁に金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記第２の開口部に固体電解質層を埋め込む工程と、
前記第２絶縁層上に第３絶縁層を形成する工程と、
前記第３絶縁層上に所定の距離だけ離れた第３開口パターン部および第４開口パターン部を有するレジストを形成する工程と、
第１のエッチングにより前記第３開口パターン部および第４開口パターン部の開口面積を拡大する工程と、
前記レジストをマスクとして前記第３絶縁層に第２のエッチングを行って、該第３絶縁層に第３の開口部および第４の開口部を形成する工程と、
前記レジストを除去した後、前記第３の開口部および第４の開口部に配線材料を埋め込んで前記第１電極および第２電極を形成する工程と、
を有する固体電解質スイッチング素子の製造方法。
【請求項３２】
第１電極、第２電極および第３電極を有する固体電解質スイッチング素子の製造方法であって、
第１絶縁層に第１の開口部を形成する工程と、
前記第１の開口部に金属イオンの供給可能な配線材料を埋め込んで前記第３電極を形成する工程と、
前記第１絶縁層上に第２絶縁層を形成する工程と、
前記第２絶縁層に第２の開口部を形成する工程と、
前記第２の開口部の側壁に金属拡散防止膜を形成する工程と、
前記第２の開口部に固体電解質層を埋め込む工程と、
前記第２絶縁層上に第３絶縁層を形成する工程と、
前記第３絶縁層上に所定の距離だけ離れた第３開口パターン部および第４開口パターン部を有するレジストを形成する工程と、
前記レジストをマスクとして前記第３絶縁層に第１のエッチングを行って、該第３絶縁層に第３の開口部および第４の開口部を形成する工程と、
前記第３絶縁層に第２のエッチングを行って、前記第３の開口部および第４の開口部の開口面積を拡大する工程と、
前記レジストを除去した後、前記第３の開口部および第４の開口部に配線材料を埋め込んで前記第１電極および第２電極を形成する工程と、
を有する固体電解質スイッチング素子の製造方法。
【請求項３３】
前記第３電極の形成方法が、
少なくとも前記第１の開口部に前記配線材料を埋め込む工程と、
前記第１の開口部以外の箇所に形成された前記配線材料を取り除く工程とを有する請求項３１または３２に記載の固体電解質スイッチング素子の製造方法。
【請求項３４】
前記第１電極および第２電極の形成方法が、
少なくとも前記第３の開口部および第４の開口部に前記配線材料を埋め込む工程と、
前記第３の開口部と第４の開口部以外の箇所に形成された前記配線材料を取り除く工程とを有する請求項３１または３２に記載の固体電解質スイッチング素子の製造方法。
【請求項３５】
前記配線材料を取り除く工程で化学・機械的研磨法を用いる、請求項３０に記載の固体電解質スイッチング素子の製造方法。
【請求項３６】
前記配線材料を取り除く工程で化学・機械的研磨法を用いる、請求項３３に記載の固体電解質スイッチング素子の製造方法。
【請求項３７】
前記配線材料を取り除く工程で化学・機械的研磨法を用いる、請求項３４に記載の固体電解質スイッチング素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属イオンを供給可能なゲートに相当する電極とソースおよびドレインに相当する電極を有する固体電解質スイッチング素子、およびその製造方法と、集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体電解質スイッチとして、プログラマブル・メタライゼーション・セル（ＰＭＣ）に適用された場合が、米国特許５７６１１１５号および米国特許６４８７１０６号の文献に開示されている。ＰＭＣでは、適当な量の金属イオンが溶け込んだ固体電解質を介して２つの電極が設けられている。上記文献中の実施例では、固体電解質は、ゲルマニウムやセレンが含まれるカルコゲナイドガラス中に銀イオンが導入された構成である。固体電解質スイッチは、この２つの電極間に電圧を印加することにより、固体電解質中の金属イオンの酸化還元反応を引き起こし、２つの電極間の電気抵抗を制御する素子である。【０００３】
この固体電解質スイッチの動作について簡単に説明する。初期状態では、２つの電極間は電気的に高抵抗の状態にあるが、その電極間に電圧を印加する。これにより、相対的に負の電圧のかかる、一方の電極（カソード電極）側において固体電解質中の金属イオンが還元されて金属原子として析出する。還元反応を続けることにより、析出した金属がやがて他方の電極（アノード電極）方向に成長する。そして、最終的に電極間に金属ブリッジが形成され、電極間が電気的に低抵抗の状態になる。【０００４】
一方、金属ブリッジが形成された状態からカソード電極側に正の電圧を印加すると、金属ブリッジが酸化されて金属イオンとして固体電解質中に溶け込む。そして、この金属ブリッジが消滅した状態では、電極間が電気的に高抵抗の状態に戻る。高抵抗状態と低抵抗状態はそれぞれ電圧を印加しない状態でも保持されるため、固体電解質スイッチは、非常にオンオフ比の高い不揮発性のスイッチとなり、不揮発性メモリへの応用が期待されている。また、アノード電極は金属イオンの供給源としての役割も担っており、安定動作のためにはイオン化されやすい金属（銀など）が含まれていることが好ましい。
【発明の開示】
【０００５】
上述した２端子型の固体電解質スイッチでは、オフ状態からオン状態に遷移する際、金属ブリッジが２端子間に形成されると、２端子間が低抵抗状態になり、大きな電流が２端子間を流れることになる。そして、オン状態からオフ状態に遷移する際にも低抵抗状態のまま２端子間にオフさせる電圧をかけるため、大きな電流が流れて電力消費量が多くなるという問題があった。
【０００６】
一方、その問題を解決するために、上記２端子の他に制御用の端子を設けた３端子型の固体電解質スイッチがある。この固体電解質スイッチは、金属イオンを供給可能なゲート電極に相当する電極とソースおよびドレイン電極に相当する２つの電極の間に電圧を印加することにより、ソースおよびドレイン電極近傍に金属の析出・溶解を起こさせ、ソースおよびドレイン電極間の電気抵抗を制御するものである。この構造では、ソースおよびドレイン電極間の抵抗をゲート電極に印加する電圧で制御できるので、オンオフの切り替え時に必要以上の電流が流れることがない。
【０００７】
しかし、この３端子型の固体電解質スイッチを集積化すると、固体電解質層や配線層から、金属イオンが周囲に漏れ出し、隣接する素子に影響を与えるおそれがある。
【０００８】
本発明は上述したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、他の素子への金属イオンの影響を防いだ固体電解質スイッチング素子およびその製造方法と集積回路を提供することを目的とする。
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の固体電解質スイッチング素子は、金属拡散防止の機能を有する第１絶縁層に設けられた第１電極および第２電極と、第１絶縁層よりも上層に設けられ、第１電極および第２電極に接触する固体電解質層と、固体電解質層を覆い、固体電解質層の一部を露出させる開口部を有する金属拡散防止膜と、開口部を介して固体電解質層と接触し、金属イオンを供給可能な第３電極とを有する構成である。
【００１０】
一方、上記目的を達成するための本発明の集積回路は、上記本発明の固体電解質スイッチング素子と、配線およびビアプラグを有する多層配線とを備え、第３電極が配線と同一層に設けられ、固体電解質層がビアプラグと同一層に設けられた構成である。
【００１１】
また、本発明の集積回路は、上記本発明の固体電解質スイッチング素子と、配線およびビアプラグを有する多層配線とを備え、第３電極がビアプラグと同一層に設けられ、固体電解質層が配線と同一層に設けられた構成である。
【００１２】
また、上記目的を達成するための本発明の固体電解質スイッチング素子の製造方法は、絶縁層上に所定の距離だけ離れた第１開口パターン部および第２開口パターン部を有するレジストを形成する工程と、第１のエッチングにより第１開口パターン部および第２開口パターン部の開口面積を拡大する工程と、レジストをマスクとして絶縁層に第２のエッチングを行って絶縁層に第１開口部および第２開口部を形成する工程と、レジストを除去した後、第１開口部および第２開口部に配線材料を埋め込んで第１電極および第２電極を形成する工程と、第１電極と第２電極に接触するように固体電解質層を形成する工程と、固体電解質層を覆う金属拡散防止膜を形成する工程と、金属拡散防止膜に第３開口部を形成する工程と、金属イオンを供給可能な配線材料を前記第３開口部に埋め込んで第３電極を形成する工程とを有するものである。
【００１３】
さらに、本発明の固体電解質スイッチング素子の製造方法は、絶縁層上に所定の距離だけ離れた第１開口パターン部および第２開口パターン部を有するレジストを形成する工程と、レジストをマスクとして絶縁層に第１のエッチングを行って絶縁層に第１開口部および第２開口部を形成する工程と、絶縁層に第２のエッチングを行って第１開口部および第２開口部の開口面積を拡大する工程と、レジストを除去した後、第１開口部および第２開口部に配線材料を埋め込んで、第１電極および第２電極を形成する工程と、第１電極と第２電極に接触するように固体電解質層を形成する工程と、固体電解質層を覆う金属拡散防止膜を形成する工程と、金属拡散防止膜に第３開口部を形成する工程と、金属イオンを供給可能な配線材料を第３開口部に埋め込んで第３電極を形成する工程とを有するものである。
【００１４】
本発明では、固体電解質層の表面のうち第１電極、第２電極および第３電極のいずれにも接触していない部位を金属拡散防止膜で覆っているため、固体電解質層に含まれる金属イオンが漏れ出て拡散することを防げる。固体電解質スイッチング素子が集積回路に設けられた場合には、固体電解質層から周囲に漏れ出た金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】図１Ａは第１実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは第１実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは第１実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは第１実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは第１実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは第１実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは第１実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは第１実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｇ】図２Ｇは第１実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｈ】図２Ｈは第１実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｉ】図２Ｉは第１実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図３】図３は第１実施形態の固体電解質スイッチング素子の他の構成例を示す平面図および断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す断面図である。
【図５】図５は第２実施形態の固体電解質スイッチング構造とビア構造を有する集積回路の断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｆ】図６Ｆは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｇ】図６Ｇは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｈ】図６Ｈは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｉ】図６Ｉは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｊ】図６Ｊは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｋ】図６Ｋは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｌ】図６Ｌは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｍ】図６Ｍは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｎ】図６Ｎは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｏ】図６Ｏは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｐ】図６Ｐは第２実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは第３実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す平面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは第３実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す断面図である。
【図８】図８は第３実施形態の固体電解質スイッチング構造とビア構造を有する集積回路の断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは第３実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは第３実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは第３実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは第３実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは第４実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは第４実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す断面図である。
【図１１】図１１は第４実施形態の固体電解質スイッチング構造とビア構造を有する集積回路の断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは第５実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す平面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは第５実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す断面図である。
【図１３】図１３は第５実施形態の固体電解質スイッチング構造とビア構造を有する集積回路の断面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは第６実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す平面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは第６実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す断面図である。
【図１５】図１５は第６実施形態の固体電解質スイッチング構造とビア構造を有する集積回路の断面図である。
【符号の説明】
【００１６】
１４    第１配線
１５    第２配線
１６    固体電解質層
１７    金属拡散防止膜
１８    第３配線
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の固体電解質スイッチング素子は、固体電解質層からの金属拡散を防止するための膜を設けた構成である。【００１８】
（第１実施形態）
本実施形態の固体電解質スイッチング素子の構成について説明する。【００１９】
図１Ａおよび図１Ｂは、第１実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す図である。図１Ａはその平面図であり、図１Ｂは図１Ａに示す破線ａ−ａ'部の断面図である。【００２０】
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、固体電解質スイッチング素子１は、下地絶縁膜で覆われた基板１０上に所定の距離だけ隔てて設けられた第１開口部１２および第２開口部１３を有する絶縁層１１が形成され、第１開口部１２に配線材料が埋め込まれた第１配線１４と、第２開口部１３に配線材料が埋め込まれた第２配線１５とが設けられている。また、第１配線１４および第２配線１５の上に固体電解質層１６が形成され、固体電解質層１６上に金属の拡散を防止するための金属拡散防止膜１７が形成されている。そして、金属拡散防止膜１７の上には、金属拡散防止膜１７に設けられられた開口部を介して固体電解質層１６に接触する第３配線１８が形成されている。第３配線１８は固体電解質層１６に金属イオンを供給可能な材料を含有している。絶縁層１１は、電気的絶縁性を確保するための機能だけでなく、金属拡散防止膜としての機能も有している。【００２１】
固体電解質層１６は、上面のうち第３配線１８と接触しない部位と、側面とが金属拡散防止膜１７で覆われている。【００２２】
なお、図１Ａのａ−ａ’部に第３配線１８が配置されていないが、説明のために図１Ｂの断面図に金属拡散防止膜１７の開口部を介して設けられた第３配線１８を表示している。【００２３】
本発明では、第１配線１４および第２配線１５の間隔がリソグラフィ限界の最小値よりも小さい寸法である。そのため、従来の構造よりも小さい。その寸法は現在の具体的には、３０ｎｍ以下の寸法で形成されている。【００２４】
なお、図１Ａおよび図１Ｂに示した構成は一例である。本発明の固体電解質スイッチング素子は、絶縁層１１に所定の距離だけ隔てて形成された第１開口部１２および第２開口部１３の中に第１配線１４および第２配線１５が埋め込められた構造であって、固体電解質層１６が第１配線１４および第２配線１５に接しており、第３配線１８が固体電解質層１６に接していれば、その配置は図１Ａおよび図１Ｂに示す以外のものであってもよい。【００２５】
次に、図１Ａおよび図１Ｂに示した固体電解質スイッチング素子１の動作について説明する。なお、ここでは、第１配線１４をソース電極とし、第２配線１５をドレイン電極とし、第３配線１８をゲート電極とする。また、固体電解質層１６の材料を硫化銅とし、ゲート電極の配線材料を銅とし、ソース電極およびドレイン電極の配線材料をチタンとする。【００２６】
ソース電極を接地してゲート電極に正の電圧を印加すると、ゲート電極の銅が銅イオンになって固体電解質層１６に溶解する。そして、固体電解質層１６に溶解した銅イオンがドレイン電極の表面に銅になって析出し、析出した銅がドレイン電極とソース電極を電気的に接続する。ドレイン電極とソース電極が電気的に接続することで、固体電解質スイッチング素子がオン状態になる。【００２７】
一方、上記オン状態でソース電極を接地してゲート電極に負の電圧を印加すると、ドレイン電極とソース電極との間に析出した銅が固体電解質１６に溶解し、ドレイン電極とソース電極の電気的接続が切れる。ドレイン電極とソース電極の電気的接続が切れることで、固体電解質スイッチング素子がオフ状態になる。なお、電気的接続が完全に切れる前の段階からドレイン電極およびソース電極間の抵抗が大きくなったり、電極間容量が変化したりするなど電気特性が変化し、最終的に電気的接続が切れる。【００２８】
固体電解質スイッチング素子は、ソース電極およびドレイン電極間の距離をリソグラフィ限界の最小値よりも小さい寸法にしている。ゲート電極およびソース電極間の距離と、ゲート電極およびドレイン電極間の距離に比べて、ソース電極およびドレイン電極間の距離を十分に小さくすることができる。そのため、オフ状態からオン状態にスイッチングする際、析出する金属がゲート電極とドレイン電極の間で接続されてしまう前に、ソース電極とドレイン電極が接続される。オフ状態からオン状態への切り替えが従来よりも安定するため、安定なスイッチング動作を繰り返すことができる。【００２９】
また、固体電解質層１６のうち第１配線１４、第２配線１５および第３配線１８のいずれにも接触していない部位が金属拡散防止膜としての機能を有する絶縁層１１と金属拡散防止膜１７の少なくともいずれかで覆われているため、金属イオンが周囲に拡散しない。そのため、金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができ、本実施形態の固体電解質スイッチング素子を、他の素子とともに集積した回路に用いることが可能となる。【００３０】
なお、絶縁層１１を金属拡散防止膜としたが、絶縁層１１は複数の絶縁膜が積層された構成であってもよい。この場合、最上層の絶縁膜が金属拡散防止膜の機能を有している。【００３１】
次に、図１Ａおよび図１Ｂに示した固体電解質スイッチング素子１の製造方法について説明する。図２Ａから図２Ｉは本実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す平面図および断面図である。断面図は平面図中の破線ａ−ａ'部を示す。【００３２】
従来の集積回路の製造方法によりトランジスタおよび抵抗等の半導体素子を有する半導体回路を半導体基板に形成し、半導体素子同士の絶縁性を確保するための下地絶縁膜を形成する。このように半導体回路とそれを保護するための下地絶縁膜が形成された基板を、単に基板１０と称する。このように半導体回路を保護するための絶縁膜を設けるのは、固体電解質スイッチング素子１と半導体回路とを電気的に分離するためである。【００３３】
下地絶縁膜は、従来の集積回路で用いられる絶縁性の材料であればよい。例えば、シリコンと酸素の化合物であって、任意の量の水素、フッ素、炭素および窒素を添加した低誘電率絶縁膜が好ましい。低誘電率絶縁膜とは、シリコン酸化膜よりも誘電率の低い絶縁膜である。なお、半導体回路と固体電解質スイッチング素子１を電気的に接続する部分に関しては図に示さないプラグが設けられている。プラグの構成および製造方法については従来と同様なため、ここではその詳細な説明を省略する。【００３４】
図２Ａに示すように、基板１０の上にシリコンナイトライドの絶縁層１１を膜厚２０〜１００ｎｍ形成する。この絶縁層１１は、シリコンナイトライドに限らず、その中に任意の量の炭素を混ぜ込んだ材料であってもよい。絶縁層１１は金属イオンが基板１０へ拡散するのを抑制する。【００３５】
続いて、次のようにして絶縁層１１上に開口部を有するレジストパターンを形成する。絶縁層１１上にフォトレジストを塗布した後、露光処理を行う。そして、露光後のフォトレジストに現像処理を行って、図２Ｂに示すように第１開口部パターン２２および第２開口部パターン２３を有するフォトレジスト２１を形成する。第１開口部パターン２２と第２開口部パターン２３との間隔がリソグラフィ工程における最小限界の距離になるようにしている。その後、フォトレジスト２１に対して等方的なエッチング特性を有する第１のドライエッチングを行って、第１開口部パターン２２および第２開口部パターン２３の開口面積を拡大する（図２Ｃ）。この第１のドライエッチングの条件については、従来のエッチング装置を用いてエッチングガスの最適化により求めることが可能である。【００３６】
そして、開口面積の拡大した第１開口部パターン２２および第２開口部パターン２３の上から絶縁層１１に対して第２のドライエッチングを行うことで、図２Ｄに示すように絶縁層１１に第１開口部１２および第２開口部１３を形成する。第１開口部１２および第２開口部１３の間隔は、リソグラフィ限界の最小値に形成された図２Ｂのフォトレジストパターン２１よりもさらに小さい距離に形成されている。エッチング条件の最適化によりその間隔を３０〜１５ｎｍ程度にまで縮小できた。続いて、酸剥離やアッシングの処理によりフォトレジストを除去することで、図２Ｅに示すように、上記微小な距離だけ隔てられた第１開口部１２および第２開口部１３が絶縁層１１に形成される。【００３７】
ここで、上記微小な距離だけ隔てられた第１開口部１２および第２開口部１３を絶縁層１１に形成するための別の方法について説明する。第１開口部パターン２２および第２開口部パターン２３を有するフォトレジスト２１を絶縁層１１上に形成する。第１開口部パターン２２と第２開口部パターン２３との間隔は、図２Ｂに示した構成と同様にフォトリソ限界の最小値に形成されている。そして、絶縁層１１に対して異方性のエッチング特性の第１のドライエッチングを行って、第１開口部パターン２２に対応する第１予備開口部と第２開口部パターン２３に対応する第２予備開口部を絶縁層１１に形成する。続いて、等方性のエッチング特性を有する第２のドライエッチングを行って第１予備開口部と第２予備開口部の開口面積を拡大させ、第１開口部１２および第２開口部１３を絶縁層１１に形成する。その後、フォトレジスト２１を除去して、図２Ｅに示した構造が作製される。【００３８】
この方法でも、第１開口部１２および第２開口部１３の間隔をリソグラフィ限界の最小値よりもさらに小さい距離に形成することができる。そして、エッチング条件の最適化によりその間隔を３０〜１５ｎｍ程度にまで縮小できた。【００３９】
図２Ｅに示したように第１開口部１２および第２開口部１３を絶縁層１１に形成した後、次のようにして第１配線１４および第２配線１５を形成する。少なくとも第１開口部１２および第２開口部１３を埋め込むようにして配線材料を堆積させた後、第１開口部１２および第２開口部１３以外の部位に形成された配線材料を取り除く。【００４０】
配線材料としては、従来の集積回路の配線に用いられる金属と同種のものであれば特にその種類を問わず、配線としての機能を果たせればよい。特にチタンおよびタンタルの少なくともいずれかの金属を含む配線は他の配線との整合性がよかった。また、チタンおよびタンタルの少なくともいずれかの金属とその金属の窒化物との積層膜による配線も他の配線と整合性がよかった。【００４１】
第１開口部１２および第２開口部１３以外の部位に形成された配線材料を取り除くための方法として、従来の集積回路の配線形成工程で用いられるＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学・機械的研磨）法が好適である。ＣＭＰ法を用いて絶縁層１１の上面が露出するまで配線材料を研磨することで、第１開口部１２および第２開口部１３以外の部位に形成された配線材料を取り除く。【００４２】
このようにして、図２Ｆに示すように、第１開口部１２に配線材料が埋め込まれた第１配線１４と第２開口部１３に配線材料が埋め込まれた第２配線１５を絶縁層１１に形成する。第１配線１４と第２配線１５とは上記微小な距離だけ離れている。【００４３】
続いて、第１配線１４および第２配線１５に接触する固体電界質層１６を次のようにして絶縁層１１上に形成する。レーザー蒸着法またはスパッタリング法により固体電解質層を成膜した後、不要な部位を取り除く。これらの方法であれば固体電解質層の成膜温度は摂氏３５０度以下である。固体電解質層１６の膜厚は５〜２００ｎｍ程度であればよい。固体電解質層１６の材料としては、金属または半導体と、酸素、硫黄、セレンおよびテルル等のカルコゲン元素との化合物が好ましい。特に、銅、タングステン、タンタル、モリブデン、クロム、チタンおよびコバルト等の金属の硫化物、酸化物および酸硫化物などは好適である。酸硫化物は任意の硫黄−酸素比を持っている。【００４４】
絶縁層１１上に固体電解質層を形成した後、所望のパターンを有するフォトレジストを通常のリソグラフィ工程で形成する。そして、ドライまたはウェットのエッチングを行って固体電解質層の不要な部位を取り除いて、固体電解質層１６のパターンを形成する。その後、フォトレジストを除去することで、図２Ｇに示す構造になる。【００４５】
続いて、固体電解質層１６を覆うようにして金属拡散防止膜１７を形成し、リソグラフィ工程およびエッチング工程で金属拡散防止膜１７をパターニングして、図２Ｈに示す構造を形成する。その際、金属拡散防止膜１７が固体電解質層１６を覆うようにしている。なお、ここで、リソグラフィ工程およびエッチング工程を行って金属拡散防止膜１７をパターニングして、形成した金属拡散防止膜の一部を除去しているが、第１配線１４および第２配線１５上に金属拡散防止膜１７を残しておいてもよい。【００４６】
さらに、リソグラフィ工程で所定の開口パターンを有するフォトレジストを金属拡散防止膜１７上に形成する。その際、開口パターンが固体電解質層１６の上部に位置するようにしている。その後、フォトレジストの上から異方性のエッチングを行って開口部を金属拡散防止膜１７に形成する。このようにして金属拡散防止膜１７に開口部を形成して固体電解質層１６の表面の一部を露出させた後、フォトレジストを除去する。【００４７】
続いて、固体電解質層１６に接触する第３配線１８を次のようにして形成する。配線材料として銅、または銅を含む金属を用いるが、ここでは銅を用いる。少なくとも固体電解質層１６上に銅を膜厚５〜２００ｎｍ形成する。続いて、固体電解質層１６の形成方法と同様にして、銅の上に所望のパターンを有するフォトレジストを通常のリソグラフィ工程で形成し、ドライまたはウェットのエッチングを行って銅の不要な部位を取り除いて第３配線１８を固体電解質層１６上に形成する。その後、フォトレジストを除去することで、図２Ｉに示す構造になる。なお、第１配線１４および第２配線１５と第３配線１８との距離については、リソグラフィ工程で第３配線１８に対応するフォトレジストのパターンを形成する際に所望の距離に設定することで制御可能である。その際、フォトレジストパターンが銅に転写されるときの寸法差であるエッチング変換差を考慮して、フォトレジストのパターンを設定する。【００４８】
上述の製造方法により、図１Ａおよび図１Ｂに示した固体電解質スイッチング素子１が作製される。第１配線１４と第２配線１５とをリソグラフィ限界の最小値よりも小さい距離だけ離して形成することができた。また、第１配線１４および第２配線１５と第３配線１８との距離をリソグラフィ工程で制御することができる。【００４９】
なお、本実施形態の固体電解質スイッチング素子の他の構成例について説明する。図３は本実施形態における固体電解質スイッチング素子の他の構成例を示す平面図および断面図である。なお、図１Ａおよび図１Ｂに示した固体電解質スイッチング素子と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、図３のａ−ａ’部に第３配線１８が配置されていないが、図１Ａおよび図１Ｂの場合と同様に、説明のために図３の断面図に、金属拡散防止膜１７の開口部を介して設けられた第３配線１８を表示している。【００５０】
図３に示す固体電解質スイッチング素子は、絶縁層１１と固体電解質層１６の間に第２絶縁層３１が形成されている。第２絶縁層３１には固体電解質層１６を第１配線１４および第２配線１５に接触させるための開口部となる第４開口部３２が設けられている。第２絶縁層３１上に形成された固体電解質層１６は第４開口部３２を介して第１配線１４および第２配線１５に接触している。図３に示した固体電解質スイッチング素子は、第３配線１８から供給される金属イオンにより金属の析出可能な領域が第４開口部３２内の固定電解質層に限定される。そのため、必要最小限の金属の析出量でオフ状態からオン状態への動作が可能になり、固体電解質スイッチング素子の動作がより安定化する。【００５１】
次に、図３に示した固体電解質スイッチング素子の製造方法について簡単に説明する。図２Ｆに示したように第１配線１４および第２配線１５を形成した後、金属拡散防止膜の第２絶縁層３１を形成する。続いて、リソグラフィ工程で所定の開口を有するレジストパターンを形成する。その際、開口位置が第１配線１４および第２配線１５のそれぞれの一部にかかるようにする。その後、レジストパターンの上から異方性のエッチングを行って第４開口部３２を第２絶縁層３１に形成する。第４開口部３２が形成されることで、第１配線１４および第２配線１５の表面の一部が露出する。そして、フォトレジストを除去し、図２Ｇで説明したのと同様にして固体電解質層１６を形成する。【００５２】
（第２実施形態）
本実施形態の固体電解質スイッチング素子の構成について説明する。【００５３】
図４Ａおよび図４Ｂは本実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す図である。図４Ａはその平面図であり、図４Ｂは図４Ａに示す破線ａ−ａ'部の断面図である。【００５４】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、固体電解質スイッチング素子１０１は、第１配線層１０３に設けられた第３配線と、第１絶縁層１０４に設けられた固体電解質層１４１と、第２配線層１０５に設けられた第１配線１４５および第２配線１４６とを有する構成である。第１配線層１０３、第１絶縁層１０４および第２配線層１０５が順に形成されている。【００５５】
第１配線層１０３は、第１保護絶縁膜１１０、層間絶縁膜１１１およびストップ絶縁膜１１２が順に形成されている。金属イオンを供給するためのアノードとなる第３配線は、銅１３２ａと銅の拡散を防止するためのバリアメタル１３１ａとを有する構成である。銅１３２ａの側壁および底面はバリアメタル１３１ａで覆われている。なお、第３配線は銅１３２ａとバリアメタル１３１ａで形成されているが、銅１３２ａが固体電解質スイッチング素子で重要な役割を果たすため、以下では第３配線を符号１３２ａで示す。バリアメタル１３１ａとしては、チタン、チタンナイトライド、タンタル、およびタンタルナイトライドの少なくともいずれかを含む材料であることが望ましい。これらの材料は銅の拡散を防止するからである。したがって、バリアメタル１３１ａは、電子を伝導するための配線として機能を有しているだけでなく、金属拡散防止膜としての機能も有する。【００５６】
第１絶縁層１０４は、第２保護絶縁膜１１３、第２層間絶縁膜１１５および第２ストップ絶縁膜１１６が順に形成されている。固体電解質層１４１は第２保護絶縁膜１１３に設けられた開口の第３開口部１４０を介して第３配線１３２ａの銅と接触している。固体電解質層１４１の側壁は、金属拡散防止膜として機能するカバー絶縁膜１１４で覆われている。【００５７】
第２配線層１０５は、金属拡散防止膜の機能を有する第３保護絶縁膜１１７、第３層間絶縁膜１１８および第３ストップ絶縁膜１１９が順に形成されている。第１配線１４５および第２配線１４６は第３保護絶縁膜１１７に形成されている。第１配線１４５と第２配線１４６は所定の距離だけ離れて配置され、両配線は固体電解質層１４１と接触している。第１配線１４５および第２配線１４６間の距離は、第１実施形態と同様にリソグラフィ限界の最小値よりも小さい寸法である。具体的には３０〜１５ｎｍである。第１配線１４５および第２配線１４６を引き出すための引出配線が第３層間絶縁膜１１８および第３ストップ絶縁膜１１９に設けられている。引出配線は銅１３６と銅の拡散を防止するためのバリアメタル１３５とを有する構成である。銅１３６の側壁および底面はバリアメタル１３５で覆われている。【００５８】
第１絶縁層１０４の厚さは第１配線１４５および第２配線１４６間の距離よりも大きい。また、固体電解質層１４１のうち第１配線１４１、第２配線１４６および第３配線のいずれかと接触しているところ以外の部位がカバー絶縁膜１１４および第３保護絶縁膜１１７のうちいずれかで覆われている。【００５９】
固体電解質１４１は、第２保護絶縁膜１１３、第２層間絶縁膜１１５および第２ストップ絶縁膜１１６が積層された多層絶縁膜に埋め込まれている。また、第３配線１３２ａは、第１保護絶縁膜１１０、層間絶縁膜１１１およびストップ絶縁膜１１２が積層された多層絶縁膜に埋め込まれている。【００６０】
なお、本実施形態の固体電解質スイッチング素子１０１の動作は第１実施形態の場合と同様であるため、その詳細な説明を省略する。【００６１】
図４Ａおよび図４Ｂに示した固体電解質スイッチング素子１０１では、ソース電極となる第１配線１４５とドレイン電極となる第２配線１４６が上記微小な距離だけ隔てられている。この距離は、金属イオンを供給するゲート電極となる第３配線１３２ａと第１配線１４５および第２配線１４６との距離、すなわちビア層１０４の高さに比べて十分小さいため、固体電解質スイッチング素子の動作がより安定化した。【００６２】
また、固体電解質層１４１のうち第１配線１４１、第２配線１４６および第３配線のいずれにも接触していない部位がカバー絶縁膜１１４および第３保護絶縁膜１１７のいずれかの金属拡散防止膜で覆われているため、金属イオンが周囲に拡散しない。そのため、金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができ、本実施形態の固体電解質スイッチング素子を、他の素子とともに集積した回路に用いることが可能となる。【００６３】
次に、図４Ａおよび図４Ｂに示した固体電解質スイッチング素子１０１を集積回路に適用した構成について説明する。なお、ここでは、集積回路の一部として半導体回路同士を接続するためのビア構造を示す。【００６４】
図５は固体電解質スイッチング素子とビア構造とを示す断面図である。なお、図４Ａおよび図４Ｂに示した構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。【００６５】
図５に示すように、集積回路は、固体電解質スイッチング素子１０１と、配線同士を接続するためのビア構造１０２とを有する構成である。ビア構造１０２は、第１配線層１０３に設けられた第１の回路配線と、第２配線層１０５に設けられた第２の回路配線と、第１の回路配線および第２の回路配線を接続するビアプラグとを有する。ビアプラグは第１絶縁層１０４に形成されている。このビアプラグが形成された層をビア層と称する。【００６６】
第１の回路配線は銅１３２’と銅の拡散を防ぐためのバリアメタル１３１’とを有する。銅１３２’の底面および側壁はバリアメタル１３１’で覆われている。この銅１３２’は第３配線の銅１３２ａと同種の材料であり、バリアメタル１３１’は第３配線のバリアメタル１３１ａと同種の材料である。【００６７】
ビアプラグは銅１３４’と銅の拡散を防ぐためのバリアメタル１３３’とを有する。銅１３４’の底面および側壁はバリアメタル１３３’で覆われている。【００６８】
第２の回路配線は銅１３６’と銅の拡散を防ぐためのバリアメタル１３５’とを有する。銅１３６’の底面および側壁はバリアメタル１３５’で覆われている。この銅１３６’は引出配線の銅１３６と同種の材料であり、バリアメタル１３５’は引出配線のバリアメタル１３５と同種の材料である。【００６９】
図５に示した集積回路は、固体電解質スイッチング素子１０１とビア構造１０２の製造方法において、多層配線工程の一部の工程を共通化できる構造になっている。【００７０】
なお、図４Ａ、図４Ｂおよび図５に示す構成では、第１配線層１０３および第２配線層１０５を集積回路中の配線層としたが、ビア層であってもよい。つまり、２層のビア層およびその間の配線層からなる構造に対応して固体電解質スイッチング素子が形成されてもよい。【００７１】
次に、図５に示した固体電解質スイッチング素子とビア構造の製造方法について説明する。【００７２】
図６Ａから図６Ｐは固体電解質スイッチング素子とビア構造の製造方法を示す断面図である。【００７３】
第１配線層１０３を次のようにして形成する。【００７４】
下部に形成された配線（不図示）を保護するための第１保護絶縁膜１１０、低誘電率膜となる第１層間絶縁膜１１１、第１ストップ絶縁膜１１２を順に堆積する。第１保護絶縁膜１１０の材料としては、例えば、シリコンナイトライド、または膜中に任意の量の炭素を混ぜ込んだ材料など、銅の酸化膜中への拡散を抑制する材料が好ましい。なお、この第１保護絶縁膜１１０には、銅の酸化膜中への拡散を抑制する効果に加えて、後述の固体電解質層１４１に対する水素アニール耐性を確保する効果もある。膜厚は２０〜１００ｎｍ程度であればよい。【００７５】
第１層間絶縁膜１１１は、シリコンと酸素の化合物であって、任意の量の水素、フッ素、および炭素等の少なくともいずれかを添加した低誘電率絶縁膜であることが好ましい。空孔を含むような膜であればさらによい。膜中に空孔を含むような膜ではさらに誘電率が下がることが知られている。空孔の大きさは、２ｎｍ以下であることが好ましい。第１層間絶縁膜１１１の膜厚は、５０〜２５０ｎｍ程度である。第１ストップ絶縁膜１１２はシリコン酸化膜でよく、膜厚は５０〜２００ｎｍ程度でよい。第１ストップ絶縁膜１１２はＣＭＰの終点検出とＣＭＰ時の第１層間絶縁膜１１１の保護の役割を果たす。【００７６】
続いて、以下のようにして第１保護絶縁膜１１０、第１層間絶縁膜１１１、および第１ストップ絶縁膜１１２に開口部を形成する。第１ストップ絶縁膜１１２上にフォトレジストを塗布した後、露光処理を行う。そして、露光後のフォトレジストに現像処理を行って、開口部を有するフォトレジストを形成する。そのフォトレジストを介してエッチングを行うことにより、開口部を形成する。例えば、９０ｎｍ世代のリソグラフィ技術では、開口部の直径は８０〜２００ｎｍ程度である。【００７７】
フォトレジストを除去した後、形成した開口部にバリアメタルと、銅の一部となる銅シード層をスパッタリング法で形成する。バリアメタル１３１ａとバリアメタル１３１’は同一種類の材料となる。バリアメタル１３１ａ、１３１’はタンタルナイトライドとタンタルの積層膜であり、開口部の底面および側壁を覆うように形成される。バリアメタル１３１ａ、１３１’は銅が第１層間絶縁膜１１１中へ拡散するのを防ぐ。タンタルナイトライドおよびタンタルの膜厚は５〜３０ｎｍ程度である。銅シード層の厚みは２０〜１００ｎｍ程度である。【００７８】
続いて、銅シード層上に銅をメッキ法で形成する。銅１３２ａと銅１３２’は同一工程で形成される。銅の膜厚は３００〜８００ｎｍ程度である。その後、ＣＭＰ法により第１ストップ絶縁膜１１２上のバリアメタルおよび銅を研磨して、開口部以外の不要なバリアメタルおよび銅を除去する。【００７９】
このようにして、第１保護絶縁膜１１０、第１層間絶縁膜１１１、および第１ストップ絶縁膜１１２に設けられた開口部にバリアメタル１３１ａ、１３１'と銅１３２ａ、１３２'が埋め込まれた第１配線層１０３が形成される。固体電解質スイッチング素子形成領域にはバリアメタル１３１ａおよび銅１３２ａからなる第３配線が形成され、ビア構造形成領域にはバリアメタル１３１'および銅１３２'からなる第１の回路配線が形成される。その後、第１配線層１０３の上に第２保護絶縁膜１１３を形成する（図６Ａ）。第２保護絶縁膜１１３は第１保護絶縁膜１１０と果たす役割が同じであるため第１保護絶縁膜１１０と同様な構成である。膜厚は２０〜１００ｎｍである。【００８０】
続いて、第２保護絶縁膜１１３上に第２層間絶縁膜１１５および第２ストップ絶縁膜１１６を順に形成することで、第２保護絶縁膜１１３、第２層間絶縁膜１１５および第２ストップ絶縁膜１１６からなる第１絶縁層１０４が形成される。第２層間絶縁膜１１５の膜厚は５０〜２５０ｎｍ程度である。第２層間絶縁膜１１５は、第１層間絶縁膜１１１と果たす役割が同じであるため第１層間絶縁膜１１１と同様な構成である。第２ストップ絶縁膜１１６は、第１ストップ絶縁膜１１２と果たす役割が同じであるため第１ストップ絶縁膜１１２と同様な構成である。膜厚は５０〜２００ｎｍ程度である。【００８１】
さらに、第３開口部１４０を次のようにして形成する。第２ストップ絶縁膜１１６上にフォトレジストを塗布した後、露光処理を行う。そして、露光後のフォトレジストに現像処理を行って、開口部を有するフォトレジストを形成する。そのフォトレジストを介してエッチングを行うことにより、第３開口部１４０を第１絶縁層１０４に形成する（図６Ｂ）。９０ｎｍ世代のリソグラフィ技術では、第３開口部１４０の直径は８０〜２００ｎｍ程度である。【００８２】
続いて、第３開口部１４０の側壁および底面を完全に覆うようにカバー絶縁膜１１４を堆積する（図６Ｃ）。カバー絶縁膜１１４は、第１保護絶縁膜１１０と同様の役割を果たす膜がよいため、第１保護絶縁膜１１０と同様な構成である。膜厚は１０〜５０ｎｍである。【００８３】
さらに、異方性の高いエッチングを行うことにより、第２ストップ絶縁膜１１６上および第３開口部１４０底面に形成されたカバー絶縁膜１１４を除去する。異方性の高いエッチングには、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングが有効である。このようにして、第３開口部１４０の側壁のみを完全に覆うカバー絶縁膜１１４が形成される（図６Ｄ）。【００８４】
続いて、図６Ｅに示すように、第３開口部１４０を完全に埋めるように固体電解質層１４１を形成する。固体電解質層１４１の形成方法および材料は第１実施形態と同様である。第３開口部１４０を埋め込むために形成する固体電解質層１４１の膜厚を、第２保護絶縁膜１１３、第２層間絶縁膜１１５および第２ストップ絶縁膜１１６から構成される第１絶縁層１０４の膜厚の総和以上にする。第１絶縁層１０４の膜厚は１００〜４００ｎｍ程度である。固体電解質層１４１の材料は、第１実施形態と同様である。成膜温度は摂氏３５０度以下である。【００８５】
成膜した固体電解質層１４１のうち、ＣＭＰ法により第３開口部１４０以外の不要な固体電解質層１４１を除去した。このようにして、固体電解質層１４１が、第２保護絶縁膜１１３、第２層間絶縁膜１１５および第２ストップ絶縁膜１１６から構成される第１絶縁層（ビア層）１０４に設けられた第３開口部１４０中のカバー絶縁膜１１４内に埋め込まれて形成される（図６Ｆ）。上述したように、固体電解質層１４１の高さは１００〜４００ｎｍとなる。【００８６】
続いて、第１絶縁層（ビア層）１０４にビアプラグを以下のようにして形成する。第２ストップ絶縁膜１１６上にフォトレジストを塗布した後、露光処理を行う。そして、露光後のフォトレジストに現像処理を行って、開口部を有するフォトレジストを形成する。そのフォトレジストを介してエッチングを行うことにより、図６Ｇに示すように開口部１４２を第１絶縁層１０４に形成する（図６Ｇ）。９０ｎｍ世代のリソグラフィ技術では、開口部１４２の直径は８０〜２００ｎｍ程度である。【００８７】
形成した開口部１４２にバリアメタル１３３'および銅１３４'の一部となる銅シード層をスパッタリング法で形成する。バリアメタルは、タンタルナイドライドおよびタンタルの積層構造であり、開口部１４２の底面および側壁を覆うように形成される。バリアメタルは、銅が第１絶縁層１０４中へ拡散するのを防ぐ役割を果たしている。タンタルナイトライドおよびタンタルの膜厚は５〜３０ｎｍ程度である。銅シード層の膜厚は２０〜１００ｎｍ程度である。その後、銅メッキを行う（図６Ｈ）。銅の膜厚は３００〜８００ｎｍ程度である。【００８８】
続いて、ＣＭＰ法により開口部１４２以外の不要なバリアメタルおよび銅を除去し、第１絶縁層１０４にバリアメタル１３３'および銅１３４'からなるビアプラグが形成される（図６Ｉ）。【００８９】
その後、図６Ｊに示すように第１絶縁層１０４の上に第３保護絶縁膜１１７を形成する。第３保護絶縁膜１１７は第１保護絶縁膜１１０と同様の役割を果たす膜がよいため、第１保護絶縁膜１１０と同様な構成である。膜厚は２０〜１００ｎｍである。【００９０】
続いて、第１実施形態と同様にして、第３保護絶縁膜１１７に上記微小な距離だけ隔てられた第１開口部１４３および第２開口部１４４を形成する（図６Ｋ）。第１開口部１４３および第２開口部１４４を形成する際、固体電解質１４１の表面の一部が露出するようにする。第１開口部１４３および第２開口部１４４の間隔を、リソグラフィ限界の最小値よりも小さくでき、条件の最適化により３０〜１５ｎｍ程度に形成した。【００９１】
第１配線１４５および第２配線１４６を以下のようにして形成する。第１開口部１４３、第２開口部１４４および第３保護絶縁膜１１７を覆うように配線材料を堆積させる（図６Ｌ）。配線材料としては、従来の集積回路の配線に用いられる金属と同種のものであれば特にその種類を問わず、配線としての機能を果たせればよい。特にチタンおよびタンタルの少なくともいずれかの金属を含む配線は他の配線との整合性がよかった。また、チタンおよびタンタルの少なくともいずれかの金属とその金属の窒化物との積層膜による配線も他の配線と整合性がよかった。続いて、第１開口部１４３および第２開口部１４４以外の箇所に形成された配線材料をＣＭＰ法により除去する。このようにして第３保護絶縁膜１１７に上記微小な距離だけ離れて配置された第１配線１４５および第２配線１４６が形成される（図６Ｍ）。【００９２】
さらに、第２配線層１０５を次のようにして形成する。第３保護絶縁膜１１７の上に第３層間絶縁膜１１８および第３ストップ絶縁膜１１９を順に堆積する（図６Ｎ）。第３層間絶縁膜１１８の膜厚は５０〜２５０ｎｍ程度である。第３層間絶縁膜１１８は、第１層間絶縁膜１１１と果たす役割が同じであるため第１層間絶縁膜１１１と同様な構成である。第３ストップ絶縁膜１１９は、第１ストップ絶縁膜１１２と果たす役割が同じであるため第１ストップ絶縁膜１１２と同様な構成である。膜厚は５０〜２００ｎｍ程度である。【００９３】
そして、第３ストップ絶縁膜１１９上にフォトレジストを塗布した後、露光処理を行う。そして、露光後のフォトレジストに現像処理を行って、開口部を有するフォトレジストを形成する。そのフォトレジストを介してエッチングを行うことにより、固体電解質スイッチング素子形成領域には第１配線１４５および第２配線１４６の上の第３層間絶縁膜１１８および第３ストップ絶縁膜１１９に開口部を形成する。また、ビア構造形成領域には第３保護絶縁膜１１７、第３層間絶縁膜１１８および第３ストップ絶縁膜１１９に開口部を形成する（図６Ｏ）。９０ｎｍ世代のリソグラフィ技術では、開口部の直径は８０〜２００ｎｍ程度である。なお、開口部を形成する際、絶縁膜をエッチングする条件でエッチングを行ったため、第１配線１４５および第２配線１４６に対する削れが抑制された。【００９４】
フォトレジストを除去した後、形成した開口部にバリアメタルと、銅の一部となる銅シード層をスパッタリング法で形成する。バリアメタル１３５とバリアメタル１３５’は同一種類の材料となる。バリアメタル１３５、１３５’はタンタルナイトライドとタンタルの積層膜であり、開口部の底面および側壁を覆うように形成される。バリアメタル１３５、１３５’は銅が第３層間絶縁膜１１８中へ拡散するのを防ぐ。タンタルナイトライドおよびタンタルの膜厚は５〜３０ｎｍ程度である。銅シード層の厚みは２０〜１００ｎｍ程度である。【００９５】
続いて、銅シード層上に銅をメッキ法で形成する。銅１３６と銅１３６’は同一工程で形成される。銅の膜厚は３００〜８００ｎｍ程度である。その後、ＣＭＰ法により第３ストップ絶縁膜１１９上のバリアメタルおよび銅を研磨して、開口部以外の不要なバリアメタルおよび銅を除去する。このようにして、第２配線層１０５が形成され、固体電解質スイッチング素子形成領域にバリアメタル１３５および銅１３６からなる引出配線が形成され、ビア構造形成領域にバリアメタル１３５'および銅１３６'からなる第２の回路配線が形成される（図６Ｐ）。【００９６】
その後、図５に示したように、第２配線層１０５の上に第４保護絶縁膜１２０、第４層間絶縁膜１２１、第４ストップ絶縁膜１２２および第５保護絶縁膜１２３からなる保護層１０６を形成する。第４保護絶縁膜１２０および第５保護絶縁膜１２３は第１保護絶縁膜１１０と果たす役割が同じであるため第１保護絶縁膜１１０と同様な構成である。膜厚は２０〜１００ｎｍ程度である。第４層間絶縁膜１２１は、第１層間絶縁膜１１１と果たす役割が同じであるため第１層間絶縁膜１１１と同様な構成である。膜厚は５０〜２５０ｎｍ程度である。第４ストップ絶縁膜１２２は、第１ストップ絶縁膜１１２と果たす役割が同じであるため第１ストップ絶縁膜１１２と同様な構成である。膜厚は５０〜２００ｎｍ程度である。【００９７】
なお、本実施形態では引出配線を第２配線層１０５に形成したが、第１絶縁層１０４の層に形成してもよい。また、引出配線を第２配線層１０５と第１絶縁層１０４の両方に設けてもよい。【００９８】
上述した製造方法により、本実施形態の固体電解質スイッチング素子１０１が作製される。リソグラフィ限界を超えた微小な距離だけ隔てられた第１配線１４５および第２配線１４６が第３保護絶縁膜１１７に埋め込まれた配線構造を実現できた。また、ゲート電極の第３配線１３２ａおよびソース電極の第１配線１４５間の距離と、ゲート電極の第３配線１３２ａおよびドレイン電極の第２配線１４６間の距離は、ビア層１０４の厚みで決定されるが、ソース電極およびドレイン電極間の距離に比べて十分大きい。【００９９】
以上の方法により形成された配線構造を用いた３端子固体電解質スイッチング素子１０１は、ゲート電極およびソース電極（またはドレイン電極）間の距離に比べてソース電極およびドレイン電極間の距離が十分に小さくなり、安定なスイッチング動作を繰り返すことができた。さらに、第１配線１４５および第２配線１４６が埋め込まれた第３保護絶縁膜１１７と固体電解質層１４１の間に、第４開口部を有する第２絶縁層を挿入した構造は、金属イオンが析出可能な領域が第４開口部内に限定されるため、スイッチング動作の安定化に有効であった。【０１００】
さらに、第３配線１３２ａの形成工程をはじめとして、多層配線製造工程と共通化できる工程が多いことと、追加マスク数が２枚と最小限に抑えられたこと、絶縁膜中への原子拡散の抑制および水素アニール耐性の対策がなされたことにより、最小限の追加コストで製造ラインへの導入が可能となった。ここにおいて明らかにされたように、特殊な工程は必要とされておらず、従来の集積回路の多層配線を形成する技術を有するものであれば、以上の工程を問題なく行うことができるであろう。【０１０１】
（第３実施形態）
本実施形態の固体電解質スイッチング素子の構成について説明する。【０１０２】
図７Ａおよび図７Ｂは本実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す図である。図７Ａはその平面図であり、図７Ｂは図７Ａに示す破線ａ−ａ'部の断面図である。【０１０３】
図７Ａおよび図７Ｂに示す構造では、図に示さない基板上に第１配線層２０３、第１絶縁層２０４、第２配線層２０５および保護層２０６が順に形成されている。本実施形態の固体電解質スイッチング素子は、保護層２０６に設けられた第１配線２４５、第２配線２４６および固体電解質層２４１と、第２配線層２０５に設けられた第３配線とを有する構成である。【０１０４】
保護層２０６は、第４保護絶縁膜２２０、第４層間絶縁膜２２１、第４ストップ絶縁膜２２２、第５保護絶縁膜２２３が順に形成された構成である。第１配線２４５および第２配線２４６は第４保護絶縁膜２２０に形成されている。第１配線２４５と第２配線２４６は所定の距離だけ離れて配置され、両配線は固体電解質層２４１と接触している。第１配線２４５および第２配線２４６間の距離は、第１実施形態と同様にリソグラフィ限界の最小値よりも小さい寸法である。具体的には３０〜１５ｎｍである。【０１０５】
固体電解質層２４１は、第４層間絶縁膜２２１および第４ストップ絶縁膜２２２に設けられ、第１配線２４５および第２配線２４６と接触している。固体電解質層２４１の側面はカバー絶縁膜２１４で覆われ、固体電解質層２４１の上面は第５保護絶縁膜２２３で覆われている。また、固体電解質層２４１の底面は、第１配線２４５および第２配線２４６のいずれにも接触していない部位が第４保護絶縁膜２２０で覆われている。第４保護絶縁膜２２０、第５保護絶縁膜２２３およびカバー絶縁膜２１４は金属拡散防止膜としての機能を有している。【０１０６】
第２配線層２０５は、第３保護絶縁膜２１７、第３層間絶縁膜２１８および第３ストップ絶縁膜２１９が順に形成されている。第１配線２４５および第２配線２４６を引き出すための引出配線が第３層間絶縁膜２１８および第３ストップ絶縁膜２１９に設けられている。引出配線は銅２３６と銅の拡散を防止するためのバリアメタル２３５とを有する構成である。銅２３６の側壁および底面はバリアメタル２３５で覆われている。また、第３配線が第３層間絶縁膜２１８および第３ストップ絶縁膜２１９に設けられている。第３配線は銅２３６ａと銅の拡散を防止するためのバリアメタル２３５ａとを有する構成である。銅２３６ａの側壁および底面はバリアメタル２３５ａで覆われている。第３配線の銅２３６ａは、第４保護絶縁膜２２０に設けられた第３開口部２４０を介して固体電解質層２４１と接触している。なお、第３配線は銅２３６ａとバリアメタル２３５ａで形成されているが、銅２３６ａが固体電解質スイッチング素子で重要な役割を果たすため、以下では第３配線を単に符号２３６ａで示す。【０１０７】
第３配線２３６ａと第１配線２４５および第２配線２４６との距離を第１配線２４５および第２配線２４６間の距離よりも大きくしている。第３配線２３６ａと第１配線２４５および第２配線２４６との距離は第３配線２３６ａをパターニングする際のリソグラフィ工程で設定される。【０１０８】
第１配線層２０３は、保護絶縁膜２１０、層間絶縁膜２１１およびストップ絶縁膜２１２が順に形成されている。第１絶縁層２０４は、第２保護絶縁膜２１３、第２層間絶縁膜２１５および第２ストップ絶縁膜２１６が順に形成されている。【０１０９】
なお、本実施形態の固体電解質スイッチング素子２０１の動作は第１実施形態の場合と同様であるため、その詳細な説明を省略する。【０１１０】
図７Ａおよび図７Ｂに示した固体電解質スイッチング素子２０１では、ソース電極となる第１配線２４５とドレイン電極となる第２配線２４６が上記微小な距離だけ隔てられている。この距離は、金属イオンを供給するゲート電極となる第３配線２３６ａと第１配線２４５および第２配線２４６との距離よりも小さいため、固体電解質スイッチング素子の動作がより安定化した。【０１１１】
また、固体電解質層２４１のうち第１配線２４５、第２配線２４６および第３配線のいずれにも接触していない部位が第４保護絶縁膜２２０、カバー絶縁膜２１４および第５保護絶縁膜２２３のいずれかで覆われているため、金属イオンが周囲に拡散しない。そのため、金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができ、本実施形態の固体電解質スイッチング素子を、他の素子とともに集積した回路に用いることが可能となる。【０１１２】
次に、図７Ａおよび図７Ｂに示した固体電解質スイッチング素子２０１を集積回路に適用した構成について説明する。なお、ここでは集積回路の一部として半導体回路同士を接続するためのビア構造を示す。【０１１３】
図８は固体電解質スイッチング素子とビア構造とを示す断面図である。なお、図７Ａおよび図７Ｂに示した構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。【０１１４】
図８に示すように、集積回路は、固体電解質スイッチング素子２０１と、配線同士を接続するためのビア構造２０２とを有する構成である。ビア構造２０２は、第１配線層２０３に設けられた第１の回路配線と、第２配線層２０５に設けられた第２の回路配線と、第１の回路配線および第２の回路配線を接続するビアプラグとを有する。ビアプラグは第１絶縁層２０４に形成されている。このビアプラグが形成された層をビア層と称する。【０１１５】
第１の回路配線は銅２３２’と銅の拡散を防ぐためのバリアメタル２３１’とを有する。銅２３２’の底面および側壁はバリアメタル２３１’で覆われている。ビアプラグは銅２３４’と銅の拡散を防ぐためのバリアメタル２３３’とを有する。銅２３４’の底面および側壁はバリアメタル２３３’で覆われている。第２の回路配線は銅２３６’と銅の拡散を防ぐためのバリアメタル２３５’とを有する。銅２３６’の底面および側壁はバリアメタル２３５’で覆われている。この銅２３６’は引出配線の銅１３６および第３配線の銅２３６ａと同種の材料であり、バリアメタル２３５’は引出配線のバリアメタル１３５および第３配線のバリアメタル２３５ａと同種の材料である。【０１１６】
本実施形態の固体電解質スイッチング素子と第２実施形態との相違は、固体電解質層２４１に金属イオンを供給する第３配線２３６ａおよびその上部に形成された固体電解質層２４１と、第４保護絶縁膜２２０に埋め込まれた第１配線２４５および第２配線２４６との、多層配線内での位置関係である。【０１１７】
第２実施形態においては、固体電解質層１４１に金属イオンを供給する第３配線１３２ａおよびその上部に形成された固体電解質層１４１と、第３保護絶縁膜１１７に埋め込まれた第１配線１４５および第２配線１４６との位置関係は、同一鉛直軸内にあった。これに対して、本実施形態においては、第４保護絶縁膜２２０に埋め込まれた第１配線２４５および第２配線２４６は固体電解質層２４１の下部に配置され、かつ同様に固体電解質層２４１の下部に配置された第３配線２３６ａとは、面内の離れた箇所に配置されていることを特徴としている。【０１１８】
本実施形態では、第１配線２４５および第２配線２４６と第３配線２３６ａとの距離について第３配線２３６ａを配置する位置で任意に設定可能である。これに対し、第２実施形態では、第１配線１４５および第２配線１４６と第３配線１３２ａとの距離が固体電解質層１４１の膜厚で決まる。【０１１９】
本実施形態の固体電解質スイッチング素子は、第２実施形態と比べて、第１配線２４５および第２配線２４６と第３配線２３６ａとの距離を制御することが容易となった。第３配線２３６ａより供給される金属イオンがその距離を拡散するため、その距離を制御することによりスイッチング特性を決定できる。これにより、集積回路中の固体電解質スイッチング素子の特性を制御することが可能となった。特に、第１配線２４５および第２配線２４６と第３配線２３６ａとの距離を従来よりも大きくすることは、オフ状態からオン状態へのスイッチングを起こりにくくするのに有効であった。【０１２０】
また、第１配線２４５、第２配線２４６および第３配線２３６ａの上部に固体電解質層２４１が形成されるため、素子形成可能な箇所が配線層中に限らなくなり、素子形成の自由度が高まった。このことにより近年の主流であるデュアルダマシンによる配線形成工程にも十分対応可能となった。特に、多層配線工程完了後に素子を形成可能となった。このことは、新材料導入のリスク低減とも相まって、コスト低減にもつながった。【０１２１】
次に、図８に示した固体電解質スイッチング素子とビア構造の製造方法について説明する。【０１２２】
図９Ａから図９Ｄは固体電解質スイッチング素子とビア構造の製造方法を示す断面図である。なお、第２実施形態と共通する工程についてはその詳細な説明を省略する。【０１２３】
最上層に絶縁膜が形成された基板（不図示）の上に第１配線層２０３および第１絶縁層２０４を形成する。その際、ビア構造２０２形成領域では第２実施形態と同様にして第１配線層２０３に第１の回路配線を形成し、第１絶縁層（ビア層）２０４にビアプラグを形成する。【０１２４】
続いて、第２実施形態の第２配線層１０５の形成方法と同様にして第２配線層２０５を形成する。その際、固体電解質スイッチング素子２０１の形成領域には、引出配線の他に第３配線を形成する。この第３配線の形成方法は引出配線と同様である。そして、第２配線層２０５の上に第４保護絶縁層２２０を形成する（図９Ａ）。第４保護絶縁膜２２０を、シリコンナイトライド、またはシリコンナイトライドに任意の量の炭素を混ぜ込んだ材料で形成する。第４保護絶縁膜２２０は銅の酸化膜中への拡散を抑制する。膜厚は２０〜１００ｎｍである。なお、第３配線は引出配線から所定の距離だけ離れた位置に形成されるため、図９Ａに示すように第３配線を破線で示している。【０１２５】
その後、図９Ｂに示すように、第２実施形態と同様にして第４保護絶縁膜２２０に第１配線２４５および第２配線２４６を上記微小な距離だけ離して形成する。【０１２６】
さらに、第４保護絶縁膜２２０上に第４層間絶縁膜２２１および第４ストップ絶縁膜２２２を順に形成する。第４ストップ絶縁膜２２２上にフォトレジストを塗布した後、露光処理を行う。そして、露光後のフォトレジストに現像処理を行って、開口部を有するフォトレジストを形成する。そのフォトレジストを介してエッチングを行うことにより、第４層間絶縁膜２２１および第４ストップ絶縁膜２２２に第３開口部２４７を形成する。第３開口部２４７を形成することにより、第１配線２４５、第２配線２４６および第３配線２３６ａの一部が露出した。フォトレジストを除去した後、カバー絶縁膜２１４を形成する。さらに、異方性のエッチングを行って、カバー絶縁膜２１４を第３開口部２４７の側壁に残す。（図９Ｃ）。【０１２７】
続いて、第３開口部２４７を埋めるように固体電解質層２４１を成膜した後、ＣＭＰ法により第３開口部２４７以外の不要な部位に形成された固体電解質層を除去した。そして、第４ストップ絶縁膜２２２上に第５保護絶縁膜２２３を形成する（図９Ｄ）。第５保護絶縁膜２２３は、第４保護絶縁膜２２０と同様に銅の拡散を防ぐ役割を果たすため、第４保護絶縁膜２２０と同様な材料で形成される。【０１２８】
上述した製造方法により、本実施形態の固体電解質スイッチング素子２０１が作製される。リソグラフィ限界を超えた微小な距離だけ隔てられた第１配線２４５および第２配線２４６が絶縁層２２０に埋め込まれた配線構造を実現できた。また、第２実施形態と比べて、ゲート電極の第３配線２３６ａおよびソース電極の第１配線２４５間の距離と、ゲート電極の第３配線２３６ａおよびドレイン電極の第２配線２４６間の距離を自由に制御することが容易となった。【０１２９】
また、第１配線２４５および第２配線２４６および第３配線２３６ａの上部に固体電解質層２４１が形成されるため、素子形成可能な箇所が配線層中に限らなくなり、素子形成の自由度が高まった。特に、多層配線工程完了後に素子を形成可能となった。このことは、新材料導入のリスク低減とも相まって、コスト低減にもつながった。以上の方法により形成された配線構造を用いた３端子固体電解質スイッチング素子２００は、安定なスイッチング動作を繰り返すことができた。【０１３０】
さらに、第３配線２３６ａの形成工程をはじめとして、多層配線製造工程と共通化できる工程が多いことと、追加マスク数が２枚と最小限に抑えられたこと、絶縁膜中への原子拡散の抑制および水素アニール耐性の対策がなされたことにより、最小限の追加コストで製造ラインへの導入が可能となった。上述したように、本実施形態では特殊な工程を必要とせず、従来の集積回路の多層配線を形成する技術を有するものであれば、以上の工程を問題なく行うことが可能である。【０１３１】
（第４実施形態）
本実施形態の固体電解質スイッチング素子の構成について説明する。【０１３２】
図１０Ａおよび図１０Ｂは本実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す図である。図１０Ａはその平面図であり、図１０Ｂは図１０Ａに示す破線ａ−ａ'部の断面図である。【０１３３】
本実施形態の固体電解質スイッチング素子３０１は、第３実施形態の固体電解質層の膜厚を第３実施形態よりも薄くした構成である。本実施形態では、固体電解質層の膜厚を制御可能にしている。なお、第１配線層３０３は第３実施形態の第１配線層２０３に対応し、第１絶縁層３０４は第１絶縁層２０４に対応し、第２配線層３０５は第２配線層２０５に対応し、保護層３０６は保護層２０６に対応している。各層における膜の材料および種類は第３実施形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。【０１３４】
本実施形態では、固体電解質層３４１の上面および側面はカバー絶縁膜３１４で覆われている。また、固体電解質層３４１の底面は、第１配線３４５および第２配線３４６のいずれにも接触していない部位が第４保護絶縁膜３２０で覆われている。第４保護絶縁膜３２０およびカバー絶縁膜３１４は金属拡散防止膜の機能を有している。【０１３５】
なお、本実施形態の固体電解質スイッチング素子３０１の主な動作は第１実施形態の場合と同様であるため、その詳細な説明を省略する。【０１３６】
本実施形態の固体電解質スイッチング素子３０１は、固体電解質層３４１のうち第１配線３４５、第２配線３４６および第３配線のいずれにも接触していない部位が第４保護絶縁膜３２０およびカバー絶縁膜３１４のいずれかの金属拡散防止膜で覆われているため、金属イオンが周囲に拡散しない。そのため、金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができ、本実施形態の固体電解質スイッチング素子を、他の素子とともに集積した回路に用いることが可能となる。【０１３７】
次に本実施形態の固体電解質スイッチング素子３０１の製造方法について簡単に説明する。固体電解質層３４１の形成方法以外については第３実施形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。【０１３８】
図９Ｂで示した工程の後、固体電解質層を所望の膜厚だけ第４保護絶縁膜３２０に形成する。リソグラフィ工程およびエッチング工程により所望のパターンに固体電解質層を加工し、図１０Ａに示す固体電解質層３４１を形成する。そして、カバー絶縁膜３１４を形成した後、第４層間絶縁膜３２１、第４ストップ絶縁膜３２２および第５保護絶縁膜３２３を形成する。このようにして、図１０Ｂに示す固体電解質スイッチング素子３０１が作製される。【０１３９】
次に、図１０Ａおよび図１０Ｂに示した固体電解質スイッチング素子３０１を集積回路に適用した構成について説明する。なお、ここでは集積回路の一部として半導体回路同士を接続するためのビア構造を示す。【０１４０】
図１１は固体電解質スイッチング素子とビア構造とを示す断面図である。なお、図１０Ａおよび図１０Ｂに示した構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。【０１４１】
図１１に示すように、集積回路は、固体電解質スイッチング素子３０１と、配線同士を接続するためのビア構造３０２とを有する構成である。なお、ビア構造３０２は第３実施形態のビア構造２０２と対応しているため、その詳細な説明を省略する。【０１４２】
本実施形態の固体電解質スイッチング素子と第３実施形態との相違は、固体電解質層３４１の加工方法である。第３実施形態においては、第２配線層２０５上に形成された、第４保護絶縁層２２０、第４層間絶縁膜２２１および第４ストップ絶縁膜２２２の３層に設けられた第３開口部２４７に固体電解質層２４１が埋め込まれた構成である。これに対して、本実施形態においては、第１配線３４５、第２配線３４６および第３配線に接触するように固体電解質層を堆積した後、固体電解質層のうち不要な部位を除去して、図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１１に示すような固体電解質層３４１を形成することを特徴としている。【０１４３】
本実施形態の固体電解質スイッチング素子は、第３実施形態と比べて、固体電解質層３４１の膜厚制御が容易となった。固体電解質層３４１の膜厚制御により、第１配線３４５および第２配線３４６に供給される金属イオンの量を制御することが可能となり、スイッチング特性を調整することが可能となった。【０１４４】
また、固体電解質層３４１の加工にＣＭＰ法を用いないため、固体電解質層３４１へのダメージが低減し、集積回路中の固体電解質スイッチング素子の信頼性が高まった。また、利用可能な固体電解質層３４１の選択肢が広がり、コスト低下が実現できた。【０１４５】
（第５実施形態）
本実施形態の固体電解質スイッチング素子の構成について説明する。【０１４６】
図１２Ａおよび図１２Ｂは本実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す図である。図１２Ａはその平面図であり、図１２Ｂは図１２Ａに示す破線ａ−ａ'部の断面図である。図１２Ａおよび図１２Ｂに示す構造は、第１配線層４０３が第４実施形態の第１配線層３０３に対応し、第１絶縁層４０４が第１絶縁層３０４に対応し、第２配線層４０５が第２配線層３０５に対応し、保護層４０６が保護層３０６に対応している。各層における膜の種類および材料については第４実施形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。【０１４７】
本実施形態の固体電解質スイッチング素子４０１は、固体電解質層４４１、第１配線４４５および第２配線４４６が第２配線層４０５に設けられている。また、第３配線が第１絶縁層４０４に設けられている。そして、第１配線４４５、第２配線４４６および第３配線の引出配線が第１配線層４０３に設けられている。第３配線は銅４３４ａと銅の拡散を防止するためのバリアメタル４３３ａとを有する構成である。さらに、第１配線４４５および第２配線４４６のそれぞれを引出配線に接続するためのビアプラグが第１絶縁層４０４に設けられている。【０１４８】
本実施形態では、固体電解質層４４１の上面および側面はカバー絶縁膜４１４で覆われている。また、固体電解質層４４１の底面は、第１配線４４５および第２配線４４６のいずれにも接触していない部位が第３保護絶縁膜４１７で覆われている。第３保護絶縁膜４１７およびカバー絶縁膜４１４は金属拡散防止膜の機能を有している。【０１４９】
なお、本実施形態の固体電解質スイッチング素子４０１の主な動作は第１実施形態の場合と同様であるため、その詳細な説明を省略する。【０１５０】
本実施形態の固体電解質スイッチング素子４０１は、固体電解質層４４１のうち第１配線４４５、第２配線４４６および第３配線のいずれにも接触していない部位が第３保護絶縁膜４１７およびカバー絶縁膜４１４のいずれかの金属拡散防止膜で覆われているため、金属イオンが周囲に拡散しない。そのため、金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができ、本実施形態の固体電解質スイッチング素子を、他の素子とともに集積した回路に用いることが可能となる。【０１５１】
次に、図１２Ａおよび図１２Ｂに示した固体電解質スイッチング素子４０１を集積回路に適用した構成について説明する。なお、ここでは集積回路の一部として半導体回路同士を接続するためのビア構造を示す。【０１５２】
図１３は固体電解質スイッチング素子とビア構造とを示す断面図である。なお、図１２Ａおよび図１２Ｂに示した構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。【０１５３】
図１３に示すように、集積回路は、固体電解質スイッチング素子４０１と、配線同士を接続するためのビア構造４０２とを有する構成である。ビア構造４０２は、第１配線層４０３に設けられた第１の回路配線と、第２配線層４０５に設けられた第２の回路配線と、第１の回路配線および第２の回路配線を接続するビアプラグとを有する。ビアプラグは第１絶縁層４０４に形成されている。このビアプラグが形成された層をビア層と称する。【０１５４】
本実施形態の固体電解質スイッチング素子と第４実施形態との相違点について説明する。第４実施形態では固体電解質層３４１に金属イオンを供給する第３配線３３６ａが第２配線層３０５に設けられていたのに対し、本実施形態では固体電解質層４４１に金属イオンを供給する第３配線４３４ａが第１絶縁層（ビア層）４０４に設けられている。【０１５５】
本実施形態の固体電解質スイッチング素子は、第３配線をビア層に形成するようにしているので、ビアホールのサイズ調整により固体電解質層４４１に供給可能な金属イオンの総量を第４実施形態と比べてより制御しやすくなる。これにより、スイッチング特性をより調整しやすくなる。また、供給可能な金属がビアプラグ形状に閉じ込められるため、多層配線材料である銅以外の金属も利用可能となり、金属種類を選ぶことでスイッチング特性をさらに調整しやすくなる。【０１５６】
（第６実施形態）
本実施形態の固体電解質スイッチング素子の構成について説明する。【０１５７】
図１４Ａおよび図１４Ｂは本実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す図である。図１４Ａはその平面図であり、図１４Ｂは図１４Ａに示す破線ａ−ａ'部の断面図である。図１４Ａおよび図１４Ｂに示す構造は、第１配線層５０３が第４実施形態の第１配線層３０３に対応し、第１絶縁層５０４が第１絶縁層３０４に対応し、第２配線層５０５が第２配線層３０５に対応し、保護層５０６が保護層３０６に対応している。各層における膜の種類および材料については第４実施形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。【０１５８】
本実施形態の固体電解質スイッチング素子５０１は、第２保護絶縁膜５１３に設けられた第１配線５４５および固体電解質層５４１と、第１絶縁層５０４に設けられた第２配線と、第１配線層５０３に設けられた第３配線とを有する構成である。第３配線は銅５３２ａと銅の拡散を防止するためのバリアメタル５３１ａとを有する構成である。第２配線は銅５３４と銅の拡散を防ぐためのバリアメタル５３３とを有する構成である。以下では、第２配線を符号５３３で示し、第３配線を符号５３２ａで示す。【０１５９】
本実施形態では、固体電解質層５４１の上面および側面はカバー絶縁膜５１４で覆われている。また、固体電解質層５４１の底面は、第１配線５４５および第３配線５３２ａのいずれにも接触していない部位が第２保護絶縁膜５１３で覆われている。第２保護絶縁膜５１３およびカバー絶縁膜５１４は金属拡散防止膜の機能を有している。【０１６０】
なお、本実施形態の固体電解質スイッチング素子５０１の主な動作は第１実施形態の場合と同様であるため、その詳細な説明を省略する。【０１６１】
本実施形態の固体電解質スイッチング素子５０１は、固体電解質層５４１のうち第１配線５４５、第２配線５３３および第３配線のいずれにも接触していない部位が第２保護絶縁膜５１３およびカバー絶縁膜５１４のいずれかの金属拡散防止膜で覆われているため、金属イオンが周囲に拡散しない。そのため、金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができ、本実施形態の固体電解質スイッチング素子を、他の素子とともに集積した回路に用いることが可能となる。【０１６２】
次に、図１４Ａおよび図１４Ｂに示した固体電解質スイッチング素子５０１を集積回路に適用した構成について説明する。なお、ここでは集積回路の一部として半導体回路同士を接続するためのビア構造を示す。【０１６３】
図１５は固体電解質スイッチング素子とビア構造とを示す断面図である。なお、図１４Ａおよび図１４Ｂに示した構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。【０１６４】
図１５に示すように、集積回路は、固体電解質スイッチング素子５０１と、配線同士を接続するためのビア構造５０２とを有する構成である。ビア構造５０２は、第１配線層５０３に設けられた第１の回路配線と、第２配線層５０５に設けられた第２の回路配線と、第１の回路配線および第２の回路配線を接続するビアプラグとを有する。ビアプラグは第１絶縁層５０４に形成されている。このビアプラグが形成された層をビア層と称する。【０１６５】
本実施形態の固体電解質スイッチング素子と第１実施形態から第５実施形態との相違点について説明する。最も大きな違いは、第１配線と第２配線の間隔の形成方法である。第１実施形態から第５実施形態のうち代表例として第１実施形態と比較すると、第１実施形態では第１配線１４と第２配線１５は微小な間隔だけ隔てられて絶縁層１１に形成されていた。これに対して、本実施形態では、第１配線５４５および第２配線５３３は固体電解質層５４１により隔てられていることが特徴である。本実施形態では、第１配線５４５は第２保護絶縁膜５１３に形成され、第２配線５３３はカバー絶縁膜５１４、第２層間絶縁膜５１５および第２ストップ絶縁膜５１６の３層の絶縁膜に形成されている。そして、第１配線５４５および第２配線５３３は固体電解質層５４１を挟むようにして形成されている。また、第３配線５３２ａは金属イオンを供給可能な材料で形成されている。そのため、オフ状態からオン状態に遷移する際、金属イオンが第３配線５３２ａから固体電解質層５４１中を拡散し、第１配線５４５および第２配線５３３の間に析出し、固体電解質スイッチング素子５０１はオフ状態からオン状態にスイッチング動作する。【０１６６】
本実施形態の固定電解質スイッチング素子は第１実施形態から第５実施形態の場合と比べて、第１配線と第２配線の間隔を固体電解質層５４１の膜厚で制御することが可能である。【０１６７】
なお、第１配線５４５と第２配線５３３を隔てる層は、固体電解質を含んだ絶縁膜から構成されるスペーサ層であってもよい。挿入されたスペーサ層の機能として、第１配線５４５と第２配線５３３を電気的に分離でき、第１配線５４５と第２配線５３３が固体電解質と接する部分において析出物を形成することができればよい。【０１６８】
次に本実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法について簡単に説明する。なお、第２実施形態や第３実施形態と同様な工程についてはその詳細な説明を省略する。【０１６９】
最上層に絶縁膜が形成された基板（不図示）の上に第１配線層５０３を構成する３層の絶縁膜を形成する。第２実施形態と同様にして、固体電解質スイッチング素子形成領域に引出配線と第３配線５３２ａを形成し、ビア構造５０２形成領域に第１の回路配線を形成する。引出配線は銅５３２とバリアメタル５３１とを有し、第３配線は銅５３２ａとバリアメタル５３１ａとを有する。【０１７０】
続いて、第１配線層５０３の上に第２保護絶縁膜５１３を形成する。第２保護絶縁膜５１３を、シリコンナイトライド、またはシリコンナイトライドに任意の量の炭素を混ぜ込んだ材料で形成する。第２保護絶縁膜５１３は銅の酸化膜中への拡散を抑制する。膜厚は２０〜１００ｎｍである。そして、第２保護絶縁膜５１３に、第２実施形態と同様にして、引出配線に接触する第１配線５４５を形成する。【０１７１】
その後、固体電解質層５４１に金属イオンを供給する第３配線５３２ａの一部が露出するように、リソグラフィ工程とエッチング工程により第３配線５３２ａ上の第２保護絶縁膜５１３に開口部を設ける。続いて、固体電解質層を堆積した後、リソグラフィ工程とエッチング工程により、図１４Ａおよび図１４Ｂに示すような固体電解質層５４１を形成する。さらに、固体電解質層５４１および第２保護絶縁膜５１３を完全に覆うように、カバー絶縁膜５１４を堆積する。カバー絶縁膜５１４を、シリコンナイトライド、またはシリコンナイトライドに任意の量の炭素を混ぜ込んだ材料で形成する。カバー絶縁膜５１４は銅の酸化膜中への拡散を抑制する。その後、カバー絶縁膜５１４上に第２層間絶縁膜５１５および第２ストップ絶縁膜５１６を堆積する。【０１７２】
続いて、リソグラフィ工程およびエッチング工程により、カバー絶縁膜５１４、第２層間絶縁膜５１５および第２ストップ絶縁膜に開口部を形成し、第２実施形態と同様にして、その開口部に第２配線を形成する。第２配線は銅５３４とバリアメタル５３３とを有する構成である。バリアメタル５３３は銅５３４の底面および側面を覆っている。また、第２配線を形成する際、第２配線が第１配線５４５と固体電解質５４１を介して対向する位置になるようにしている。その後、第２実施形態と同様にして、第２配線層５０５の固体電解質スイッチング素子５０１形成領域に第２配線の引出配線を形成し、保護層５０６を形成する。【０１７３】
上述の製造方法により、本実施形態の固体電解質スイッチング素子５０１が作製される。固体電解質層の膜厚をリソグラフィ限界の最小値よりも薄くすることで、リソグラフィ限界を超えた微小な距離だけ隔てられた第１配線５４５および第２配線５３３がそれぞれ別の絶縁膜に形成された配線構造を実現できた。第１配線５４５と第２配線５３３を隔てるものは、固体電解質層５４１である。微小な間隔だけ隔てられた第１配線と第２配線の間隔が固体電解質層５４１の膜厚制御のみにより可能となった。膜厚制御による間隔の設定は第１実施形態のようなドライエッチングによる制御に比べて容易であり、製造ばらつきが低減し、集積回路中の固体電解質スイッチング素子の歩留まりがより高くなる。【０１７４】
また、ゲート電極の第３配線５３２ａおよびソース電極の第１配線５４５間の距離と、ゲート電極の第３配線５３２ａおよびドレイン電極の第２配線５３３間の距離を自由に制御することが容易となった。第３配線５３２ａより供給される金属イオンがその距離を拡散するため、その距離を制御することによりスイッチング特性を決定できる。これにより、集積回路中の固体電解質スイッチング素子の特性を制御することが可能となった。特に、第１配線５４５および第２配線５３３と第３配線５３２ａとの距離を従来よりも大きくすることは、オフ状態からオン状態へのスイッチングを起こりにくくするのに有効であった。したがって、固体電解質スイッチング素子５０１は、より安定なスイッチング動作を繰り返すことができる。【０１７５】
さらに、第３配線５３２ａおよび第２配線５３３の形成工程をはじめとして、多層配線製造工程と共通化できる工程が多いことと、絶縁膜中への原子拡散の抑制および水素アニール耐性の対策がなされたことにより、最小限の追加コストで製造ラインへの導入が可能となった。上述したように、本実施形態では特殊な工程を必要とせず、従来の集積回路の多層配線を形成する技術を有するものであれば、以上の工程を問題なく行うことが可能である。【０１７６】
なお、上記第１実施形態から第６実施形態において、第１配線をソース電極とし、第２配線をドレイン電極として説明したが、第２配線をソース電極とし、第１配線をドレイン電極としてもよい。【０１７７】
また、本発明は上記実施例に限定されることなく、発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【図１Ａ】
0005211483.tif 000002
【図１Ｂ】
0005211483.tif 000003
【図２Ａ】
0005211483.tif 000004
【図２Ｂ】
0005211483.tif 000005
【図２Ｃ】
0005211483.tif 000006
【図２Ｄ】
0005211483.tif 000007
【図２Ｅ】
0005211483.tif 000008
【図２Ｆ】
0005211483.tif 000009
【図２Ｇ】
0005211483.tif 000010
【図２Ｈ】
0005211483.tif 000011
【図２Ｉ】
0005211483.tif 000012
【図３】
0005211483.tif 000013
【図４Ａ】
0005211483.tif 000014
【図４Ｂ】
0005211483.tif 000015
【図５】
0005211483.tif 000016
【図６Ａ】
0005211483.tif 000017
【図６Ｂ】
0005211483.tif 000018
【図６Ｃ】
0005211483.tif 000019
【図６Ｄ】
0005211483.tif 000020
【図６Ｅ】
0005211483.tif 000021
【図６Ｆ】
0005211483.tif 000022
【図６Ｇ】
0005211483.tif 000023
【図６Ｈ】
0005211483.tif 000024
【図６Ｉ】
0005211483.tif 000025
【図６Ｊ】
0005211483.tif 000026
【図６Ｋ】
0005211483.tif 000027
【図６Ｌ】
0005211483.tif 000028
【図６Ｍ】
0005211483.tif 000029
【図６Ｎ】
0005211483.tif 000030
【図６Ｏ】
0005211483.tif 000031
【図６Ｐ】
0005211483.tif 000032
【図７Ａ】
0005211483.tif 000033
【図７Ｂ】
0005211483.tif 000034
【図８】
0005211483.tif 000035
【図９Ａ】
0005211483.tif 000036
【図９Ｂ】
0005211483.tif 000037
【図９Ｃ】
0005211483.tif 000038
【図９Ｄ】
0005211483.tif 000039
【図１０Ａ】
0005211483.tif 000040
【図１０Ｂ】
0005211483.tif 000041
【図１１】
0005211483.tif 000042
【図１２Ａ】
0005211483.tif 000043
【図１２Ｂ】
0005211483.tif 000044
【図１３】
0005211483.tif 000045
【図１４Ａ】
0005211483.tif 000046
【図１４Ｂ】
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【図１５】
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