以下、図面を参照して、本発明の好適な� ��施形態を例示的に詳しく説明する。ただし� ��この実施の形態に記載されている構成要素� ��あくまで例示であり、本発明の技術的範囲� ��、特許請求の範囲によって確定されるので� ��って、以下の個別の実施形態によって限定� ��れるわけではない。

 (第1実施形態)
 図1は、本発明の第1実施形態にかかる相変� �メモリセルの要部構造を例示的に示す図で� �る。図12に、RAMを構成する相変化メモリセル の回路図を例示的に示す。RAMは、例えば、複 数のワード線と複数のビット線との交点位置 に相変化メモリセルを配置して構成される。 図12においては、各相変化メモリセルは、相� ��化メモリ素子と選択トランジスタ103とを有� ��る。相変化メモリセルの形成に際し、公知� ��術によって、ドレイン101a、ソース101bを有� �た選択トランジスタ103が基板100の表面に形� �される。ここで、選択トランジスタ103は、� �変化メモリ素子を構成するカルコゲナイド� �料層107(相変化記録材料層)を、所望の温度に 加熱することが可能な制御手段として機能す る。ここでは、MOSFETを用いているが、バイポ ーラトランジスタでもよい。なお、図1では� �基準電極101cの配線などは省略して示してい� ��。

 次に、下部絶縁層104が選択トランジスタ1 03とドレイン101a、ソース101bが形成された基� �100の上に形成される。次に、下部絶縁層104� �貫通して第1の孔111を設け、この第1の孔111内 に窒化チタンやタングステンなどのような高 い電気伝導性を持った材料をプラグ105として 埋め込む。プラグ105は、下部絶縁層104を貫通 し、選択トランジスタ103とカルコゲナイド材 料層107を電気的に接続している。

 カルコゲナイド材料層107を形成するカルコ� ��ナイド材料としては、例えば、S、Se、Teの� �ずれかまたはこれらとSb、Geのうちの1種以上 を主成分として含む材料が挙げられ、これら のうちGe、Sb、Teを主成分として含む材料が好 適に用いられる。特にGe ₂ Sb ₂ Te ₅ を好適に用いることができる。

 次に、プラグ105及び下部絶縁層104の上に� ��ペロブスカイト型構造を有する材料により� ��成されるペロブスカイト層106(以下、「酸化 物層106」ともいう。)、カルコゲナイド材料� �107、上部電極層108、シリコン酸化膜などか� �なるハードマスク109をこの順で形成する。

 ここで、酸化物層106は、例えば、酸化物� ��ーゲットまたは酸化物ターゲットと金属タ� ��ゲットの組み合わせからスパッタリング法� ��よって形成することが可能である。上記以� ��の酸化物層106の形成方法としては、例えば� ��物理気相成長法、化学気相成長法、原子層� ��積法、金属化合物を堆積後、酸化処理によ� ��て形成する方法、酸素雰囲気中における金� ��化合物の反応性スパッタリング法によって� ��成する方法、等がある。後述の真空処理装� ��、真空処理装置を用いた相変化メモリ素子� ��製造方法では、これらの方法のうち、いず� ��か1つの方法を用いることにより酸化物層106 を形成することが可能である。

 酸化物層106の厚さとしては、例えば、10nm 程度であり、上記の酸化物層106の形成方法に よって、十分に製造可能である。従来技術の 極薄絶縁層に要求されていた3nm以下の薄膜を 均一に形成する技術に比較すると、その製造 技術の困難さは格段に軽減される。

 カルコゲナイド材料層107は、ペロブスカ� ��ト層106(酸化物層106)の上に形成され、ペロ� �スカイト層106(酸化物層106)を介して加熱また は冷却されることにより結晶状態またはアモ ルファス状態に相変化する相変化記録材料層 として機能する。

 次に、微細加工技術として公知技術であ� ��リソグラフィ技術とエッチング技術を利用� ��て、ハードマスク109をマスクとして、酸化� ��層106、カルコゲナイド材料層107、上部電極1 08を所定の形状に微細加工する。

 最後に、上部絶縁層110が、相変化メモリ素� ��の電気的絶縁のために形成される。本発明� ��相変化メモリ素子には、酸化物層106として� ��LaNiO ₃ (以下、単に、「LNO」ともいう)が使用され、L aNiO ₃ からなるターゲットからパルスDCを使用した� ��グネトロンスパッタリング法によって酸化� ��層106が形成される。この時の圧力は、例え� ��、0.9mTorr、温度は300℃が好適である。この� �件で形成された酸化物層106の厚さは、10nmで� ��る。

 図2は、本発明の第1実施形態にかかる相� �化メモリ素子の酸化物層106(LNO)をX線回折法(� �-2θ法)によって測定した結果を示す図である 。これから、酸化物層106(LNO)は、膜面に垂直� ��良好な(001)配向を有したペロブスカイト型� �造をしていることがわかる。即ち、X線回折� ��(θ-2θ法)において、2θ=43°付近に(200)回折ピ� ��クが現れれば(001)配向であることが間接的� �わかる。また、より直接的な確認方法とし� �は、透過型電子顕微鏡により断面像を観察� �、その格子間隔から(001)配向を確認すること ができる。その時、酸化物層106(LNO)に電子線� ��照射し、その回折パターンを解析すること� ��よって、より明確に(001)配向を確認するこ� �ができる。

 本発明の第1実施形態にかかる相変化メモ リ素子の酸化物層106(LNO)を、ラザフォード後� ��散乱法(RBS:Rutherford Backscattering Spectroscopy)に よって測定したところ、酸化物層106(LNO)は、L a:Ni:O=19:22:60の原子比率を持っていて、化学量 論のLa:Ni:O=20:20:60に近い値となっていること� �わかった。原子比率が化学量論の値に近い� �合、その物質の電気抵抗が小さくなること� �、一般に知られているように、酸化物層106(L NO)の電気抵抗は低いことがわかる。

 酸化物層106(LNO)を4点プローブ抵抗測定法に� ��って測定した電気抵抗率と熱伝導率とを表1 に示す。なお、表1中、TiNの電気抵抗率は、α -TiNで~12×10 ^-3 、δ-TiNで~5×10 ^-3 (ωm)であることを示す。比較のために、従来� ��術で得られた相変化メモリ素子に使用され� ��極薄い絶縁層の特性を示す(特許文献2、特� �文献6、特許文献7、非特許文献1、非特許文� �2)。これから、本発明の第1実施形態にかか� �相変化メモリ素子の酸化物層106(LNO)は、電気 抵抗率が5×10 ^-6 (ωm)以下と小さく、かつ熱伝導率が2.5×10 ^-2 (W/cmK)以下と小さいことがわかる。

 このように、本発明の第1実施形態にかか る相変化メモリ素子の酸化物層106(LNO)は、従� ��技術によって得られる絶縁層よりも低い電� ��抵抗率(高い電気伝導性)と、低い熱伝導率(� ��い熱絶縁性)を兼ね備えている。

 酸化物層106の高い熱絶縁性は、カルコゲ� ��イド材料層107からプラグへの熱拡散を防ぐ� ��リアとしての重要な役割を果たし、消費電� ��を十分に低減することを可能にする。さら� ��は、酸化物層106の高い電気伝導率は、相変� ��メモリ素子の抵抗を低く維持したまま、動� ��速度を維持する。すなわち、動作速度を遅� ��することがない。

 高い電気伝導率を有した酸化物層106はカ� ��コゲナイド材料層107との間のトンネル効果� ��依存しないため、酸化物層の厚さには制限� ��なく、従来技術の極薄絶縁層よりも厚く成� ��できることから、絶縁層を極薄くかつ均一� ��形成しなければならなかった製造技術の困� ��さを軽減することが可能になる。

 次に、図3の3a~図3の3eを使用して酸化物層 106(LNO)の上にカルコゲナイド材料層107が形成� ��れた時の酸化物層106(LNO)とカルコゲナイド� �料層107の関係について説明する。

 図3の3aは、酸化物層106(LNO)がペロブスカ� �ト型構造となっていることを示す模式図で� �る。ここで、Laの格子間距離aは、0.384nmであ� ��ことが知られている。

 図3の3bは、以降の説明に使用するため、� ��宜上、図3の3aに示すペロブスカイト型構造� ��酸化物層106(LNO)から酸素原子(O)を省略した� �晶構造を示す模式図である。

 図3の3cは、図3の3bに示すペロブスカイト� ��構造の酸化物層106(LNO)の結晶が複数結合し� �ところを示す模式図である。

 図3の3dは、図3の3cの面301、302、303、304に� ��まれた部分のみを示す模式図である。ここ� ��、Laの格子間距離bは、距離aの√2倍である0. 543nmであることは図3の3cから明らかである。� ��た、図3の3dに示す酸化物層106(LNO)の模式図� �図3の3cに示す酸化物層106(LNO)の模式図は45°� �転させた関係となっていることも明らかで� �る。

 図3の3eは、図3の3dに示す酸化物層106(LNO)� �上にカルコゲナイド材料層107が形成された� �造を示す模式図である。ここで、カルコゲ� �イド材料層107のTeの格子間距離cは、0.59nmで� �ることが知られている。Teの格子間距離cは� �図3の3eに示す酸化物層106(LNO)のLaの格子間距� ��bである0.543nmに近い値となっていることか� �、酸化物層106(LNO)の上にはカルコゲナイド材 料層107が成長し易く、強い接着性が得られる ことがわかる。

 以上から、カルコゲナイド材料層107(GST)� �結晶配向は、(001)[100]となっており、酸化物� ��106(LNO)の結晶配向(001)[110]をテンプレートと� ��て45°回転した状態で結晶化することがわか る。このように図3に示されるペロブスカイ� �型構造を有した酸化物層106(LNO)は、岩塩型構 造を持ったカルコゲナイド材料層107にとって 良好なテンプレートとなる。

 カルコゲナイド材料層107の結晶配向は、� ��化物層106の結晶配向をテンプレートとして� ��いて結晶化され、酸化物層106の上に形成さ� ��る。これにより、酸化物層106を介してカル� ��ゲナイド材料層107と、下部絶縁層104との接� ��性(接触性)が促進される。また、酸化物層10 6を介してカルコゲナイド材料層107と、プラ� �105との接続性(接触性)が促進される。

 以上説明したように本実施形態に拠れば� ��高い電気伝導性と高い熱絶縁性を兼ね備え� ��ペロブスカイト型構造を有する材料により� ��成されるペロブスカイト層(酸化物層)を有� �る相変化メモリ素子、相変化メモリ素子を� �する相変化メモリセルを提供することが可� �になる。

 (第2実施形態)
 図4は、本発明の第2実施形態にかかる相変� �メモリ素子の構造を示す模式図である。第1� ��施形態と同様の構成のものについては、同� ��符号を付して、詳細な説明は省略する。第2 実施形態では、第1実施形態と比較して、酸� �物層106の構造が異なるので、この点に関し� �説明する。第2実施形態において、酸化物層1 06は、プラグ105の上部で、中間絶縁層112に形� ��された第2の孔113の壁部114と底部115とを被覆 する構造となっている。カルコゲナイド材料 層107は、酸化物層106に覆われた第2の孔113を� �たすために形成され、上部電極層108がカル� �ゲナイド材料層107の上に形成される。第2実� ��形態における相変化メモリ素子においては� ��カルコゲナイド材料層107が結晶相とアモル� ��ァス相を遷移する際に必要な電力は第2の孔 113の大きさによって決定される。

 尚、図4に示す構造の他、図示しないが、 酸化物層106をドレイン101aに直接接続する構� �であってもよい。

 以上説明したように本実施形態に拠れば� ��高い電気伝導性と高い熱絶縁性を兼ね備え� ��ペロブスカイト型構造を有する材料により� ��成されるペロブスカイト層(酸化物層)を有� �る相変化メモリ素子、相変化メモリ素子を� �する相変化メモリセルを提供することが可� �になる。

 (第3実施形態)
 次に、本発明の第3実施形態として、第1実� �形態及び第2実施形態で説明した相変化メモ� ��素子を製造する真空処理装置および、相変� ��メモリ素子の製造方法を図10及び図11の参照 により説明する。

 図10は、真空処理装置の構成を示す模式� �に示す平面図である。図10に示す真空処理装 置は、複数のチャンバの接続により構成され るマルチチャンバタイプの装置である。2つ� �ロードロックチャンバ1008、1009において、基 板100が搬入、搬出される。前処理チャンバ100 1において、基板100の表面を清浄するための� �処理がなされる。ハードマスク形成チャン� �1002において、ハードマスクが形成される。� ��部電極形成チャンバ1003において、上部電極 が形成される。カルコゲナイド材料層形成チ ャンバ1004において、カルコゲナイド材料層� �形成される。酸化物層形成チャンバ1005にお� ��て、酸化物層が形成される。デガスチャン� ��1006において、基板の脱ガスを行うための処 理が施される。

 前処理チャンバ1001、ハードマスク形成チ ャンバ1002、上部電極形成チャンバ1003、カル� ��ゲナイド材料層形成チャンバ1004、酸化物層 形成チャンバ1005及びデガスチャンバ1006、を� ��称して処理チャンバ(1001~1006)という。

 更に、真空処理装置は、基板100に対して� ��定の処理を行うための処理チャンバ(1001~1006 )と、ロードロックチャンバ1007、1008とを接続 するためのコアチャンバ1009を有する。コア� �ャンバ1009とロードロックチャンバ1007、1008� �の間、およびコアチャンバ1009と処理チャン� ��(1001~1006)との間には、それぞれのチャンバ� �隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲー� �バルブ(不図示)が設けられている。

 また、ロードロックチャンバ1007、1008を2� ��設けた理由は、基板の搬入、搬出を行う際� ��2つのチャンバを交互に使い分けることによ り、基板の搬入と搬出を並列に行うことを可 能にして、生産性を高めるためである。

 前処理チャンバ1001には、基板を載置する 基板載置台、真空排気手段、ガス導入手段、 電力供給手段、等が付設されているが、それ らの構成は省略されている。ハードマスク形 成チャンバ1002から酸化物層形成チャンバ1005� ��での処理チャンバには、基板を載置する基� ��載置台、基板載置台に対向した位置に設置� ��れるターゲット載置台、ターゲット載置台� ��設置されるターゲット、真空排気手段、ガ� ��導入手段、電力供給手段、等が付設されて� ��るが、それらの構成は省略されている。デ� ��スチャンバ1006には、基板を載置する基板載 置台、真空排気手段、ガス導入手段、基板加 熱手段、等が付設されているが、それらの構 成は省略されている。コアチャンバ1009には� �真空排気手段、基板の搬送を行う基板搬送� �段、等が付設されているが、それらの構成� �省略されている。

 次に、相変化メモリ素子の製造方法の流� ��を説明する。図11は、相変化メモリ素子の� �造方法の流れを説明する図である。本処理� �、図10に示した真空処理装置を用いて実行す ることが可能である。なお、真空処理装置に 搬入される基板100には、前工程にて、基板表 面に選択トランジスタ103、下部絶縁層104、プ ラグ105が形成されているものとする。

 まず、ステップS1101において、基板100は� �大気側に設けられた基板搬送手段(不図示)に よって、ロードロックチャンバ1008内に搬入� �れる。

 次に、ステップS1102において、ロードロ� �クチャンバ1008の真空排気手段は、所定の真� ��度までロードロックチャンバ1008の内部を真 空排気する。

 次に、ステップS1103において、コアチャ� �バ1009の基板搬送手段は、ロードロックチャ� ��バ1008からデガスチャンバ1006内に基板を搬� �し、基板を基板載置台に載置する。その後� �真空排気手段はデガスチャンバ1006内を真空� ��気する。そして、基板加熱手段は、基板を� ��定の温度まで加熱し、脱ガス処理を行う。

 次に、ステップS1104において、コアチャ� �バ1009の基板搬送手段は、デガスチャンバ1006 から前処理チャンバ1001内に基板を搬入し、� �板載置台に載置する。その後、真空排気手� �は前処理チャンバ1001内を真空排気した後、� ��知のエッチング技術の実行により、基板の� ��面にエッチング処理が施され、清浄される� ��

 次に、ステップS1105において、コアチャ� �バ1009の基板搬送手段は、前処理チャンバ1001 から酸化物層形成チャンバ1005(ペロブスカイ� ��層形成チャンバ1005)内に基板を搬入し、基� �載置台に載置する。その後、真空排気手段� �酸化物層形成チャンバ1005内を真空排気する� ��

 次に、ステップS1106において、ガス導入� �段は、所定のガスを所定の流量に制御して� �酸化物層形成チャンバ1005(ペロブスカイト層 形成チャンバ1005)内に導入する。このとき、� ��力供給手段は、ターゲットに電力を供給し� ��酸化物層形成チャンバ1005(ペロブスカイト� �形成チャンバ1005)にプラズマ放電を発生させ る。ターゲットからスパッタされたスパッタ 粒子が基板の表面に到達することによって酸 化物層が形成される。

 次に、ステップS1107において、コアチャ� �バ1009の基板搬送手段は、酸化物層形成チャ� ��バ1005(ペロブスカイト層形成チャンバ1005)か らカルコゲナイド材料層形成チャンバ1004内� �基板を搬入し、基板載置台に載置する。そ� �後、真空排気手段は、カルコゲナイド材料� �形成チャンバ1004内を真空排気する。

 次に、ステップS1108において、ガス導入� �段は、所定のガスを所定の流量に制御して� �カルコゲナイド材料層形成チャンバ1004(相変 化記録材料層形成チャンバ1004)内に導入する� ��このとき、電力供給手段は、ターゲットに� ��力を供給し、カルコゲナイド材料層形成チ� ��ンバ1004(相変化記録材料層形成チャンバ1004) 内にプラズマ放電を発生させる。ターゲット からスパッタされたスパッタ粒子が基板の表 面に到達することによって酸化物層の上にカ ルコゲナイド材料層(相変化記録材料層)が形� ��される。

 次に、ステップS1109において、基板搬送� �段は、カルコゲナイド材料層形成チャンバ10 04(相変化記録材料層形成チャンバ1004)内から� ��部電極形成チャンバ1003内に基板を搬入し、 基板載置台に載置する。その後、真空排気手 段は、上部電極形成チャンバ1003内を真空排� �する。

 次に、ステップS1110において、ガス導入� �段は、所定のガスを所定の流量に制御して� �上部電極形成チャンバ1003内に導入する。こ� ��とき、電力供給手段は、ターゲットに電力� ��供給し、上部電極形成チャンバ1003内にプラ ズマ放電を発生させる。ターゲットからスパ ッタされたスパッタ粒子が基板の表面に到達 することによってカルコゲナイド材料層の上 に上部電極層が形成される。

 次に、ステップS1111において、コアチャ� �バ1009の基板搬送手段は、上部電極形成チャ� ��バ1003内からハードマスク形成チャンバ1002� �に基板を搬入し、基板載置台に載置する。� �の後、真空排気手段は、ハードマスク形成� �ャンバ1002内を真空排気する。

 次に、ステップS1112において、ガス導入� �段は、所定のガスを所定の流量に制御して� �ハードマスク形成チャンバ1002内に導入する� ��このとき、電力供給手段は、ターゲットに� ��力を供給し、ハードマスク形成チャンバ1002 内にプラズマ放電を発生させる。ターゲット からスパッタされたスパッタ粒子が基板の表 面に到達することによって上部電極層の上に ハードマスクが形成される。

 最後に、ステップS1113において、上述の� �定の処理が施された基板は、コアチャンバ10 09の基板搬送手段によってハードマスク形成� ��ャンバ1002から搬出され、ロードロックチャ ンバ1007に搬入される。そして、大気側に設� �られた基板搬送手段によって、ロードロッ� �チャンバ1007内から搬出され、次工程に送ら� ��る。

 ステップS1101乃至ステップS1113の処理によ り、基板100上に相変化メモリ素子を有する相 変化メモリセルが形成される。

 以上説明したように本実施形態に拠れば� ��ペロブスカイト層(酸化物層)の製造の困難� �を低減する、真空処理装置、相変化メモリ� �子等の製造方法の提供が可能になる。

 以上、本発明の好ましい実施形態を添付� ��面の参照により説明したが、本発明はかか� ��実施形態に限定されるものではなく、特許� ��求の範囲の記載から把握される技術的範囲� ��おいて種々な形態に変更可能である。

 本発明は上記実施形態に制限されるもの� ��はなく、本発明の精神及び範囲から離脱す� ��ことなく、様々な変更及び変形が可能であ� ��。従って、本発明の範囲を公にするために� ��以下の請求項を添付する。