JP4454253B2 - 電気抵抗が高い相変化記録膜およびこの相変化記録膜を形成するためのスパッタリングターゲット - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気抵抗が高い相変化記録膜およびその相変化記録膜を形成するためのスパッタリングターゲットに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、半導体不揮発メモリーの一種である相変化メモリー(Phase Change RAMまたはOvonics Unified Memory)に用いられる相変化記録層は、通常のDVD−RAMなどの光記録媒体に用いられているGe−Sb−Te系記録膜が広く用いられている。この相変化記録層には結晶状態の相変化材料を用い、書き換えは、その一部をヒーターで急加熱して溶融し、即急冷して部分的に非晶質化させるか、或いは非晶質部を低温でゆっくり加熱して結晶状態に戻すことで行っている。そして読み出しは結晶状態と一部非晶質化した状態の電気抵抗差によって行なっている。この相変化記録層は、相変化記録となる成分組成の合金からなるターゲットを用いてスパッタリングすることにより形成することも知られている(例えば、特許文献1〜3、非特許文献1〜2参照)。
【0003】
【特許文献1】
特表2001−502848号公報
【特許文献2】
特表2002−512439号公報
【特許文献3】
特表2002−540605号公報
【非特許文献1】
「応用物理」第71巻 第12号(2002)第1513〜1517頁
【非特許文献2】
「日経 マイクロデバイス」2002年3月号第70〜78頁
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、非特許文献1にあるように、現状の相変化メモリー素子は書き込み消去時に回路に流れる電流値が大きく、消費電力が大きくなり、また大電流のため、回路への負担が大きいところから微細化の障害となっていた。
【0005】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、相変化記録膜の抵抗を高くすることで書き込み消去動作時に流れる電流値を低減させるべく研究を行なった。その結果、
(イ)通常のGe−Sb−Te系相変化記録膜において、原子%で(以下、%は原子%を示す)B:0.2〜12%含有した相変化記録膜は、結晶状態での電気抵抗が高くなり、それによって書き込み消去動作時に流れる電流値を低減させることができる、
(ロ)B:0.2〜12%含有したGe−Sb−Te系相変化記録膜は、B:0.2〜12%含有したGe−Sb−Te系ターゲットを用いてスパッタリングすることにより得られる、という研究結果が得られたのである。
【0006】
この発明は、かかる研究結果に基づいて成されたものであって、
(1)Ge:15〜22.44%、Sb:15〜23.16%、B:0.2〜12%を含有し、残部がTeおよび不可避不純物からなる組成を有する電気抵抗が高い相変化記録膜、
(2)Ge:15〜22.16%、Sb:15〜22.16%、B:0.2〜12%を含有し、残部がTeおよび不可避不純物からなる組成を有する前記(1)記載の電気抵抗が高い相変化記録膜を形成するためのスパッタリングターゲット、に特徴を有するものである。
【0007】
この発明の電気抵抗が高い相変化記録膜の成分組成を前述のごとく限定した理由を説明する。
【0008】
(a) B
適度な結晶化温度の上昇は非晶質状態の安定性を高め、メモリーとして用いた場合に保持特性の向上が期待できるが、必要以上に高くなると結晶化が困難となり、また、融点があまりにも上昇すると、溶融させることが困難となって結晶化、非晶質化(書き込み、消去)のために大きな電力が必要になるなど好ましくないことが起こる。かかる理由から相変化記録膜に含まれるB成分の量は0.2%未満では膜の抵抗値を上げる効果が少ないので好ましくなく、一方、12%を越えて含有させると結晶化温度と融点の上昇が大きくなるので好ましくない。したがって、この発明の相変化記録膜に含まれるBの含有量を0.2〜12%に定めた。この発明の相変化記録膜に含まれるB含有量の一層好ましい範囲は1.0〜10.0%である。
【0009】
(b) Ge、Sb
この発明の電気抵抗が高い相変化記録膜に含まれるGeおよびSbは、Ge:15〜22.44%、Sb:15〜23.16%が好ましい。その理由は、Ge:15%未満、Sb:15%未満であっても、またGe:22.44%を越え、Sb:23.16%を越えても抵抗値が低くなったり結晶化時間が長くなって好ましくないことによるものである。
【0010】
この発明の電気抵抗が高い相変化記録膜は、結晶化後に四探針法により測定した比抵抗値が5×10-2Ω・cm以上(一層好ましくは8×10-2Ω・cm以上)であることが必要であり、その理由は比抵抗値が5×10-2Ω・cm未満では回路に大きな電流が流れ、そのために消費電力が大きくなり、また微細化時の障害になるので好ましくないことによるものである。また、非晶質状態のGe−Sb−Te合金の比抵抗は通常1×103Ω・cm程度であり、安定した読み出しのためには結晶時と非晶質時で少なくとも1桁半程度の抵抗差があることが好ましい。このため、結晶時の相変化記録膜の抵抗値は5×101Ω・cm以下が必要であり、したがって、この発明の相変化記録膜の結晶化後に四探針法により測定した比抵抗値を5×10-2Ω・cm〜5×101Ω・cmに定めた。
【0011】
この発明の相変化記録膜を形成するためのスパッタリングターゲットは、この発明の相変化記録膜の成分組成と同じ成分組成を有する合金をArガス雰囲気中で溶解した後、鉄製モールドに出湯して合金インゴットを作製し、これらを不活性ガス雰囲気中で粉砕して合金粉末を作製し、この合金粉末を真空ホットプレスすることにより作製する。前記真空ホットプレスは、圧力:146〜155MPa、温度:370〜430℃、1〜2時間保持の条件で行なわれ、その後、モールドの温度が270〜300℃まで下がった時点で冷却速度:1〜3℃/min.で常温まで冷却することにより行われることが一層好ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】
Ge、Sb、TeおよびBをArガス雰囲気中で溶解し鋳造して合金インゴットを作製し、この合金インゴットをAr雰囲気中で粉砕することにより、いずれも粒径:250μm以下の合金粉末を作製した。
【0013】
これら合金粉末を温度:400℃、圧力:146MPaで真空ホットプレスすることによりホットプレス体を作製し、これらホットプレス体を超硬バイトを使用し、旋盤回転数:200rpmの条件で研削加工することにより直径:125mm、厚さ:5mmの寸法を有する円盤状の表1に示される成分組成を有する本発明ターゲット1〜9、比較ターゲット1〜2および従来ターゲット1を作製した。
【0014】
【表1】
【0015】
これら本発明ターゲット1〜9、比較ターゲット1〜2および従来ターゲット1をそれぞれ銅製の冷却用バッキングプレートに純度:99.999重量%のインジウムろう材にてハンダ付けし、これを直流マグネトロンスパッタリング装置に装入し、ターゲットと基板(表面に厚さ:100nmのSiO2を形成したSiウエーハ)の間の距離を70mmになるようにセットした後、到達真空度:5×10-5Pa以下になるまで真空引きを行い、その後、全圧:1.0PaになるまでArガスを供給し、
・基板温度:室温、
・投入電力:50W(0.4W/cm2)、
の条件でスパッタリングを行い、基板の表面に厚さ:300nmを有する本発明相変化記録膜:1〜9、比較相変化記録膜1〜2および従来相変化記録膜1を形成した。
このようにして得られた本発明相変化記録膜:1〜9、比較相変化記録膜1〜2および従来相変化記録膜1の成分組成をICP(誘導結合プラズマ法)により分析し、その結果を表2に示した。
さらに、得られた本発明相変化記録膜:1〜9、比較相変化記録膜1〜2および従来相変化記録膜1を真空中、300℃に5分間保持して結晶化した後、四探針法で比抵抗を測定し、さらに上記と同じ条件で直径:120mmのポリカーボネート基板上に3μmの厚さで成膜し、付いた膜を全量剥離して粉末化したものについてDTA(示差熱分析法)により毎分200mlのArフロー中、昇温速度10℃/分の条件で結晶化温度および融点を測定し、その結果を表2に示した。なお、本測定に用いた試料は15mgで統一した。ここでは150〜300℃付近に現れる発熱ピークを結晶化温度とし、550〜700℃付近に現れる吸熱ピークを融点とした。
【0016】
【表2】
【0017】
表1〜2示される結果から、本発明ターゲット1〜9を用いてスパッタリングすることにより得られた結晶化させた本発明相変化記録膜:1〜9は、従来ターゲット1を用いてスパッタリングすることにより得られた結晶化させた従来相変化記録膜1に比べて比抵抗が高いことが分かる。しかし、この発明の条件から外れた成分組成を有する比較ターゲット1〜2を用いてスパッタリングすることにより得られた結晶化させた比較相変化記録膜1〜2は比抵抗が小さくなったり、結晶化温度および融点が上がりすぎたりして好ましくないことが分かる。
【0018】
【発明の効果】
上述のように、この発明によると、適度に高い抵抗値が得られ、書き込み消去動作時の電流値を低減し、低消費電力化、デバイスの微細化に寄与し、相変化型不揮発メモリー膜の特性の向上およびコスト削減を行うことができるとともに、新しい半導体メモリー産業の発展に大いに貢献し得るものである。
Claims (3)
- 原子%で(以下、%は原子%を示す)Ge:15〜22.44%、Sb:15〜23.16%、B:0.2〜12%を含有し、残部がTeおよび不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする電気抵抗が高い相変化記録膜。
- 結晶化後に四探針法により測定した比抵抗値が5×10-2〜5×101Ω・cmであることを特徴とする請求項1記載の電気抵抗が高い相変化記録膜。
- Ge:15〜22.16%、Sb:15〜22.16%、B:0.2〜12%を含有し、残部がTeおよび不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項1または2記載の電気抵抗が高い相変化記録膜を形成するためのスパッタリングターゲット。
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