JP5630021B2 - 記憶素子および記憶装置 - Google Patents
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Description
[第1の実施の形態]
(1)記憶素子(単層の高抵抗層を有する記憶素子)
(2)記憶装置
[第2の実施の形態]
(1)記憶素子(2層の高抵抗層を有する記憶素子)
[実施例]
(記憶素子)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る記憶素子1の断面構成図である。この記憶素子1は、下部電極10(第1電極)、記憶層20および上部電極30(第2電極)をこの順に有するものである。
{(Zr最大イオン価数×モル数または原子%)+(Cuイオン価数×モル数または原子%)}/(カルコゲン元素のイオン価数×モル数または原子%) =0.5〜1.5
の範囲内であればよいと考えられる。
Zr組成比(原子%)/Te組成比(原子%)=0.2〜0.74
の範囲にあることが望ましい。これについては必ずしも明らかではないが、ジルコニウム(Zr)に比べて銅(Cu)の乖離度が低いこと、イオン源層21の抵抗値がジルコニウム(Zr)とテルル(Te)の組成比によって決まることから、上記の範囲にある場合に限り好適な抵抗値が得られるため、記憶素子1に印加したバイアス電圧が高抵抗層22の部分に有効に印加されることによると考えられる。
上記記憶素子1を多数、例えば列状やマトリクス状に配列することにより、記憶装置(メモリ)を構成することができる。このとき、各記憶素子1に、必要に応じて、素子選択用のMOSトランジスタ、或いはダイオードを接続してメモリセルを構成し、更に、配線を介して、センスアンプ、アドレスデコーダ、書き込み・消去・読み出し回路等に接続すればよい。
図4は本発明の第2の実施の形態に係る記憶素子3の断面構成図である。以下、他の実施の形態について説明するが、上記第1の実施の形態と同一構成部分については同一符号を付してその説明は省略する。この記憶素子3は、下部電極10(第1電極)、記憶層60および上部電極30(第2電極)をこの順に有するものである。
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
上記実施の形態と同様にして図1に示した記憶素子1を作製した。まず、タングステン(W)よりなる下部電極10上に、スパッタリング装置を用いて記憶層20および上部電極30を形成した。電極径は50〜300nmφとした。また、合金からなる層は、構成元素のターゲットを用いて同時に成膜した。続いて、上部電極30の表面に対してエッチングを行い、中間電位(Vdd/2)を与えるための外部回路接続用のコンタクト部分に接続されるように厚さ200nmの配線層(Al層)を形成した。そののち、ポストアニール処理として真空熱処理炉において、2時間、200℃の加熱処理を施した。このようにして、図2および図3に示したメモリセルアレイ2を作製して組成および膜厚の異なる実施例1〜5とした。
高抵抗層を除いては上記実施例と同様にして記録素子を作製した。その際、窒化タングステン(WN)よりなる下部電極上に、酸化アルミニウム(Al−O)、酸化ガドリニウム(Gd−O)またはケイ素(Si)よりなる高抵抗層を1.4nmまたは20nmの厚みで形成した。高抵抗層は、酸化膜の場合にはDCマグネトロンスパッタにより、例えば金属ガドリニウム(Gd)膜を膜厚1nmの厚みで形成したのち、チャンバー圧0.25+0.05Pa,ArO2 雰囲気,投入電力50Wの条件のRFプラズマにより、金属ガドリニウム(Gd)膜を60秒間酸化することにより形成した。続いて、Cu11Te29Zr11Al42Ge7よりなるイオン源層を45nmの厚みで形成した。そののち、ジルコニウム(Zr)よりなる上部電極を形成した。続いて、上部電極の表面に対してエッチングを行い、実施例1〜5と同様の厚さ200nmの配線層(Al層)を形成した。次いで、真空熱処理炉において、1時間、200℃の熱処理を施した。このようにして、メモリセルアレイを作製して比較例1〜3とした。
(実施例1)W/Al1Te1(8nm)/Cu11Te29Zr11Al42Ge7原子%(45nm)/Zr(20nm)
(実施例2)TiN/Mg1Te1(4nm)/Cu10Te30Ge7Zr11Al42原子%(45nm)/W(20nm)
(実施例3)W/Zn1Te1(6nm)/Te40Zr18Al42原子%(45nm)/Zr(20nm)
(実施例4)TiN/Mg1Te1(7nm)/Cu13Te25Ge6Zr14Mg42原子%(45nm)/W(20nm)
(実施例5)TiN/Al4Te6+Cu15原子%(7nm)/Cu10Te30Ge7Zr11Al42原子%(45nm)/W(20nm)
(比較例1)WN/AlOx(1.4nm)/Cu11Te29Zr11Al42Ge7原子%(45nm)/Zr(20nm)
(比較例2)WN/GdOx(1.4nm)/Cu11Te29Zr11Al42Ge7原子%(45nm)/Zr(20nm)
(比較例3)WN/Si(20nm)/Cu11Te29Zr11Al42Ge7原子%(45nm)/Zr(20nm)
実施例1〜5および比較例1〜3の記憶素子のセルアレイに対して、上部電極30に接続された上部配線をVdd/2の中間電位に設定し、選択するメモリセルのゲート電極、すなわちワード線WLに電圧を印加してオン状態にした。そして、トランジスタTrのソース/ドレイン領域43のうち、記憶素子10に接続されていない方に接続されている電極、すなわちビット線BLに、パルス幅100ns、電流130μA、電圧3.0Vを印加する「書き込み動作」をメモリセルアレイ中の10素子×2列で合計20素子に対して行った。次いで、ゲート電極に「書き込み」とは逆の電圧を0から3.0Vまで0.05V刻みで上昇させながら印加して「消去動作」を行い、各電圧における抵抗値を測定した。その結果を後述するデータ保持特性の結果と合わせて図5〜図7に示す。なお、特性図の各値は60ビット測定した結果の平均値である。
上記実施例1〜5と同様にして図1に示した記憶素子1を作製したのち、図2および図3に示したメモリセルアレイ2を作製して、実施例6〜8とした。なお、高抵抗層22であるAlTeは非晶質膜であり、様々な組成をとり得る。そのためAlTe中のアルミニウム(Al)の拡散を抑え、組成が変わらないように実施例7,8はポストアニールを行わず、配線加工プロセスでの110℃,2分間の最低限の加熱しか行っていない。200℃以上の高温でもアニール前のAlTe組成依存の影響は残るが、組成の依存性をより正しく調べるためである。
(実施例6)W/AlTe(8nm)/Cu11Te29Zr11Al42Ge7原子%(45nm)/Zr(20nm)(ポストアニールなし)
(実施例7)W/Al4Te6原子%(8nm)/Cu11Te29Zr11Al42Ge7原子%(45nm)/Zr(20nm)
(実施例8)W/Al3Te7原子%(8nm)/Cu11Te29Zr11Al42Ge7原子%(45nm)/Zr(20nm)
高抵抗層22としてのAlTeの組成を変化させた実施例6〜8に対して実験1と同様の手順を用いて高温加速保持試験および消去電圧の測定を行い、書き込み保持特性および消去特性を評価した。実施例6〜8における消去特性およびデータ保持特性をそれぞれ図8および図9に示す。なお、消去特性は60ビット測定した結果を示している。
実施例9〜12では、上記実施例1〜5と同様にして図4に示した記憶素子3を作製した。なお、第1高抵抗層62Aまたは第2高抵抗層62Bに用いたGeTeAl膜はGe1Te4を使用し、アルミニウム(Al)を熱拡散によって侵入させた。第1高抵抗層62Aまたは第2高抵抗層62Bの酸化膜(または窒化膜)はリアクティブスパッタにより形成した。また、リアクティブスパッタによる酸素量(または窒化量)は必ずしも明らかではないが、十分酸化(または窒化)されている領域の酸素(または窒素)を導入している。こののち、図2および図3に示したメモリセルアレイ2を作成して実施例9〜12とした。
(実施例9)W/GeTeAl(4nm)/GeAlTeOx(4nm)/Cu11Te29Zr11Al42Ge7原子%(45nm)/Zr(20nm)
(実施例10)W/GeAlTeOx(4nm)/GeTeAl(4nm)/Cu11Te29Zr11Al42Ge7原子%(45nm)/Zr(20nm)
(実施例11)W/GeAlTeNx(4nm)/GeTeAl(4nm)/Cu11Te29Zr11Al42Ge7原子%(45nm)/Zr(20nm)
(実施例12)WN/Al3Te7原子%(6nm)/GdOx(1nm)/Cu10Te30Ge7Zr11Al42原子%(45nm)/W(20nm)
実施例9〜12に対して実験1と同様の条件を用いて消去特性および書き込み保持特性を測定し、高抵抗層42のAlTeの組成による書き込み保持特性および消去特性を評価した。各実施例における消去特性および書き込み保持特性はそれぞれ図11に示す。
Claims (17)
- 第1電極、記憶層および第2電極をこの順に有し、
前記記憶層は、
前記第1電極側に設けられると共に、AlTe、MgTeまたはZnTeのいずれかを含む高抵抗層と、
少なくとも1種類の金属元素を含むと共に、テルル(Te)、硫黄(S)およびセレン(Se)のうちの少なくとも1種のカルコゲン元素を含み、前記第2電極側に設けられるイオン源層とを備え、
前記高抵抗層は、テルル(Te)を組成比(原子%)で最も多く含む
記憶素子。 - 前記高抵抗層はAlTeを含み、前記高抵抗層中のAlの含有量は20原子%以上60原子%以下である、請求項1に記載の記憶素子。
- 第1電極、記憶層および第2電極をこの順に有し、
前記記憶層は、
前記第1電極側に設けられ、複数の層よりなると共に、AlTe、MgTeまたはZnTeのいずれかを含む高抵抗層と、
少なくとも1種類の金属元素を含むと共に、テルル(Te)、硫黄(S)およびセレン(Se)のうちの少なくとも1種のカルコゲン元素を含み、前記第2電極側に設けられるイオン源層とを備え、
前記高抵抗層は、前記複数の層のうちの少なくとも1層がテルル(Te)を組成比(原子%)で最も多く含む
記憶素子。 - 前記高抵抗層は、テルル(Te)を含む第1高抵抗層と、前記第1高抵抗層とは異なる組成および/または元素を有する第2高抵抗層とを含む、請求項3に記載の記憶素子。
- 前記第1高抵抗層は前記第1電極側、前記第2高抵抗層は前記イオン源層側にそれぞれせつけられている、請求項4に記載の記憶素子。
- 前記第1高抵抗層は前記イオン源層側、前記第2高抵抗層は前記第1電極側にそれぞれ設けられている、請求項4に記載の記憶素子。
- 前記第1高抵抗層はAl−Te化合物、Mg−Te化合物またはZn−Te化合物を主成分とし、前記第2高抵抗層は、酸素(O)または窒素(N)を主成分とする、請求項4に記載の記憶素子。
- 前記高抵抗層は、前記第1電極および第2電極を介して所定の電圧パルスあるいは電流パルスが印加された場合に前記イオン源層よりも高い抵抗値を示す
請求項1または3に記載の記憶素子。 - 前記イオン源層は、金属元素としてアルミニウム(Al)を含有する、請求項1または3に記載の記憶素子。
- 前記イオン源層は、金属元素として銅(Cu)を含有する、請求項1または3に記載の記憶素子。
- 前記イオン源層は、金属元素としてアルミニウム(Al)と銅(Cu)とを含有する、請求項1または3に記載の記憶素子。
- 前記第1電極および前記第2電極への電圧印加によって前記高抵抗層内に前記金属元素を含む伝導パスが形成されることにより抵抗値が変化する、請求項1または3に記載の記憶素子。
- 第1電極、記憶層および第2電極をこの順に有する複数の記憶素子と、前記複数の記憶素子に対して選択的に電圧または電流のパルスを印加するパルス印加手段とを備え、
前記記憶層は、
前記第1電極側に設けられると共に、AlTe、MgTeまたはZnTeのいずれかを含む高抵抗層と、
少なくとも1種類の金属元素を含むと共に、テルル(Te)、硫黄(S)およびセレン(Se)のうちの少なくとも1種のカルコゲン元素を含み、前記第2電極側に設けられるイオン源層とを備え、
前記高抵抗層は、テルル(Te)を組成比(原子%)で最も多く含む
記憶装置。 - 第1電極、記憶層および第2電極をこの順に有する複数の記憶素子と、前記複数の記憶素子に対して選択的に電圧または電流のパルスを印加するパルス印加手段とを備え、
前記記憶層は、
前記第1電極側に設けられ、複数の層よりなると共に、AlTe、MgTeまたはZnTeのいずれかを含む高抵抗層と、
少なくとも1種類の金属元素を含むと共に、テルル(Te)、硫黄(S)およびセレン(Se)のうちの少なくとも1種のカルコゲン元素を含み、前記第2電極側に設けられるイオン源層とを備え、
前記高抵抗層は、前記複数の層のうちの少なくとも1層がテルル(Te)を組成比(原子%)で最も多く含む
記憶装置。 - 前記イオン源層は、金属元素としてアルミニウム(Al)を含有する、請求項13または14に記載の記憶装置。
- 前記イオン源層は、金属元素として銅(Cu)を含有する、請求項13または14に記載の記憶装置。
- 前記イオン源層は、金属元素としてアルミニウム(Al)と銅(Cu)を含有する、請求項13または14に記載の記憶装置。
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