[发明专利]非易失性半导体存储装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用通过施加电脉冲使电阻值可逆地变化的电阻变化层的非易失性半导体存储装置及其制造方法。

背景技术

近年来，伴随着电子机器的数字技术的进展，为了保存音乐、图像、信息等数据，对大容量且非易失性的半导体存储装置的要求进一步增大。与此相应，使用强电介体电容器的非易失性存储装置和使用由于电脉冲电阻值发生变化并持续保持该状态的电阻变化层(可变电阻膜)的非易失性半导体存储装置为人们所关注。

将现有的强电介体电容器作为存储单元使用的非易失性存储装置的主要部分，由在下部电极膜和上部电极膜之间夹持强电介体膜的强电介体电容器构成。但是，由于能够用于上述强电介体电容器的强电介体材料为氧化物，因此暴露在还原性气氛、特别是暴露在氢中时，强电介体氧化物容易被还原。通过上述还原，导致结晶构成被破坏，绝缘特性和强电介体特性大幅度劣化的事实为人们所公知。

另一方面，包含氢的气氛，在LSI等半导体制造装置的制造工序中一般会产生。例如，形成铝(Al)配线后为了确保MOS晶体管的特性，在含有氢的气氛中实行退火。并且，伴随半导体装置的细微化，向纵横尺寸比较大的接触孔埋入钨(W)时能够使用CVD法，该方法在包含氢的非常强的还原气氛下实行。

对此，为了保护强电介体电容器不受氢影响而形成导电性氢阻挡层为人们所公知(例如，参照专利文献1)。根据该构成，在基板上形成层叠有下部电极、强电介体膜和上部电极的强电介体电容器，在上部电极上、或者上部电极上以及上部电极和强电介体膜的侧面覆盖导电性氢阻挡膜。此外，导电性氢阻挡膜使用由钛铝合金或者钛铝合金的氮化物构成的膜。TiAl类材料具有形成由两种的相(物质)构成的组织的特征，不仅难以形成成为氢气的通路的晶粒边界，而且由于其为容易吸收大量氢并且将吸收的氢放出的温度为600℃的Ti和与氢构成共价键的铝的合金，因而能够更加稳定地吸收大量的氢。因此，即使在氢还原气氛下，也能够防止强电介体膜的劣化。

此外，表示了包括作为强电介体电容器的电介体膜使用的强电介体膜的侧壁防止氢气的渗透(例如，参照专利文献2)。该存储装置的结构包括：在半导体基板上顺次层叠的下部电极、强电介体膜和第一上部电极；覆盖下部电极的侧壁的绝缘膜隔板(spacer)；覆盖绝缘膜隔板的侧壁和第一上部电极的侧壁的第二上部电极，第二上部电极由于上述绝缘性隔板与下部电极电绝缘，另一方面，与第一上部电极电连接。通过上述结构，能够防止氢渗透到强电介体膜的内部，能够抑制强电介体电容器的电容器特性的劣化。

进而，还表示了以下结构：条纹状的上部电极和下部电极在互相交叉的方向上形成，设置强电介体电容器配置为矩阵状的存储单元阵列，上述强电介体电容器由至少在上部电极和下部电极交叉的区域中形成有强电介体膜的结构构成，在上述强电介体电容器的上层设置有氢阻挡膜(例如，参照专利文献3)。由于在存储单元阵列中不形成晶体管等有源元件，强电介体电容器配置为矩阵状，因此能够以覆盖整个存储单元阵列区域的方式形成氢阻挡膜，能够保护强电介体电容器不受钝化膜的成膜工序等中的还原气氛的影响。

专利文献1：日本特开2002-110931号公报

专利文献2：日本特开2002-359354号公报

专利文献3：日本特开2004-296732号公报

发明内容

在上述专利文献1的示例中，表示了在上部电极膜的上部表面和下部电极的下部表面设置有导电性氢阻挡膜的结构。并且，还表示了为了防止来自它们的侧面部分的氢的渗透，以覆盖上部电极膜、强电介体膜和下部电极膜等的侧面部的方式形成绝缘性的氢阻挡膜。由此，能够防止制造时由氢气引起的强电介体电容器的劣化，能够实现高成品率。此外，由于不受到氢引起的还原，能够在半导体工艺中以最有效率的工序制造强电介体电容器。

此外，在上述专利文献2的示例中，将下部电极膜和上部电极膜作为氢阻挡性的导电膜，进而将它们的侧壁部隔着绝缘膜隔板用具有氢阻挡性的第二上部电极膜覆盖，防止氢气引起的还原。

在上述专利文献1和专利文献2的示例中，只公开了现有的强电介体存储器结构，对于在夹持下部电极和上部电极的层间绝缘层中形成的接触孔中设置电阻变化层的交叉点型的非易失性半导体存储装置，使用上述文献中公开的结构时，存在单元尺寸变大的问题。