JP6050015B2 - 記憶素子および記憶装置 - Google Patents
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Description
1.実施の形態
1−1.記憶素子
1−2.記憶装置
2.実施例
(1−1.記憶素子)
図1は、本開示の一実施の形態に係る記憶素子1の断面構成を表したものである。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。
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。
以下、本開示の具体的な実施例について説明する。
上記記憶素子1の製造方法を用いてサンプル1−1〜1−3を作製した。まず、下地にトランジスタを組み込んだTiNよりなる下部電極10を逆スパッタによってクリーニングしたのち、Alを2nmの膜厚で成膜し、酸素プラズマによって酸化してAlOxを形成して抵抗変化層22を形成した。次に、原子%比でZr50%,Te50%をArのプロセスガス中に酸素を流量比でアルゴン(Ar)(sccm)/酸素(sccm)=75/5の割合で混合してリアクティブスパッタリングを行い、ZrTeOx層を膜厚45nmに形成してイオン源層21とした。続いて、Wを30nm形成して上部電極30とした。最後に、320度,2hの熱処理を行ったのちパターニングし記憶素子(サンプル1−1)を作製した。この他、同様の工程を経て、サンプル1−2,1−3を作製した。各サンプルの組成は「下部電極/抵抗変化層/イオン源層/上部電極」の順に以下に示す。
(サンプル1−1)TiN/Al(2nm)−Ox/Zr50Te50−Ox(45nm)/W(30nm)
(サンプル1−2)TiN/Al(2nm)−Ox/Zr50Te50(45nm)/W(30nm)
(サンプル1−3)TiN/ZrOx(5nm)/W(30nm)
上記記憶素子(サンプル1)と同様の工程を経て、サンプル2−1〜2−19を作製した。なお、サンプル2−1〜2−19の下部電極、抵抗変化層および上部電極は共通であり、それぞれTiN、Al(2nm)−Ox、W(30nm)である。各サンプルのイオン源層組成は以下に示す。
(サンプル2−1)Ti40Te60−Ox(45nm)
(サンプル2−2)Zr40Te60−Ox(45nm)
(サンプル2−3)Hf40Te60−Ox(45nm)
(サンプル2−4)V50Te50−Ox(45nm)
(サンプル2−5)Nb40Te60−Ox(45nm)
(サンプル2−6)Ta40Te60−Ox(45nm)
(サンプル2−7)Cr40Te60−Ox(45nm)
(サンプル2−8)Mo40Te60−Ox(45nm)
(サンプル2−9)W40Te60−Ox(45nm)
(サンプル2−10)Co40Te60−Ox(45nm)
(サンプル2−11)Mn55Te45−Ox(45nm)
(サンプル2−12)Ni40Te60−Ox(45nm)
(サンプル2−13)Pd40Te60−Ox(45nm)
(サンプル2−14)Cu40Te60−Ox(45nm)
(サンプル2−15)Ag50Te50−Ox(45nm)
(サンプル2−16)Zn50Te50−Ox(45nm)
(サンプル2−17)CuZrTeAl(45nm)
(サンプル2−18)AlZrTeO(45nm)
(サンプル2−19)CuZrTeO(45nm)
上記記憶素子(サンプル1,2)と同様の工程を経て、イオン源層に周期律表第4族〜第6族の遷移金属元素を複数組み合わせた記憶素子(サンプル3−1〜3−4)を作製し、150℃,1時間の温度加速保持試験を行い、コンダクタンス値の変化を測定した(図9)。サンプル3−1〜3−4の下部電極、抵抗変化層および上部電極は共通であり、それぞれTiN、Al(2nm)−Ox、W(30nm)である。各サンプルのイオン源層組成は以下に示す。
(サンプル3−1)TaHfTe−Ox(45nm)
(サンプル3−2)MoHfTe−Ox(45nm)
(サンプル3−3)TiHfTe−Ox(45nm)
(サンプル3−4)NbHfTe−Ox(45nm)
上記記憶素子(サンプル1〜3)と同様の工程を経て、イオン源層21を構成するZrTe−Oxの組成比Zr:Teをそれぞれ20:80(サンプル4−1)、30:70(サンプル4−2)50:50(サンプル4−3)、70:30(サンプル4−4)、80:20(サンプル4−5)とした記憶素子1を作製した。このサンプル4−1〜4−5に対して150℃,1時間の温度加速保持試験を行い、コンダクタンス値の変化を測定した。その結果を図10(A)〜(E)に示した。なお、サンプル4−1〜4−5の下部電極10、抵抗変化層22および上部電極30は共通であり、それぞれTiN、Al(2nm)−Ox、W(30nm)である。
(サンプル4−1)Zr20Te80−Ox(45nm)
(サンプル4−2)Zr30Te70−Ox(45nm)
(サンプル4−3)Zr50Te50−Ox(45nm)
(サンプル4−4)Zr70Te30−Ox(45nm)
(サンプル4−5)Zr80Te20−Ox(45nm)
イオン源層内の酸素含有量を調べるためのサンプル5−1〜5−6を作製した。まず、イオン源層21として、原子%比でZr50%,Te50%をArのプロセスガス中に酸素を混合してリアクティブスパッタリングを行い、ZrTeOx層を膜厚45nmに形成した。この際、サンプル5−1〜5−6では、ZrTeOxの成膜時のAr(sccm)と酸素(sccm)のガス流量の割合を、それぞれ75/0、75/3、75/5、75/7、75/10、75/15、75/20として成膜した。このときの酸素(sccm)/Ar(sccm)の値は0〜0.267の範囲とした。なお、サンプル5−1〜5−6における下部電極10、抵抗変化層22および上部電極30は共通であり、それぞれTiN、Al(2nm)−Ox、W(30nm)である。
(サンプル5−1)O2/Ar=0 ZrTe−O:3.1%
(サンプル5−2)O2/Ar=0.04 ZrTe−O:10%
(サンプル5−3)O2/Ar=0.067 ZrTe−O:15%
(サンプル5−4)O2/Ar=0.093 ZrTe−O:28%
(サンプル5−5)O2/Ar=0.133 ZrTe−O:50%
(サンプル5−6)O2/Ar=0.2 ZrTe−O:55%
(サンプル5−7)O2/Ar=0.267 ZrTe−O:60%
サンプル1−1と同様の工程を経て記憶素子1(サンプル6−1〜6−4)を作製した。このサンプル6−1〜6−4は、イオン源層21をZr50Te50−Ox、抵抗変化層22を上記サンプルで用いたAlOxの代わりに、HfOx(サンプル6−1)、AlN(サンプル6−2)、ZrOx(サンプル6−3)およびYOx(サンプル6−4)を用いたものである。これらサンプル6−1〜6−4において、上記実験1〜4と同様に、150℃,1時間の温度加速保持試験を行い、コンダクタンス値の変化を測定した(図13(A)〜(D))。図13(A)〜(D)から、サンプル6−1〜6−4共に、本実施の形態に対応する上記サンプル結果と同様にレベル1およびレベル2のどちらにおいても温度加速保持試験後コンダクタンス値のシフトが少なく、良好な保持性能が得られた。よって、本技術の記憶素子は、抵抗変化層22は金属元素の酸化膜や窒化膜あるいは酸窒化膜であればよく、特に限定されないといえる。
(1)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、少なくともカルコゲン元素、酸素および遷移金属元素を含むイオン源層を備え、前記遷移金属元素は、周期律表第4族、第5族および第6族に含まれる1種あるいは2種以上の金属元素からのみ選ばれる記憶素子。
(2)前記イオン源層に含まれる酸素量は10%以上55%以下である、前記(1)に記載の記憶素子。
(3)前記イオン源層に含まれる前記遷移金属元素とカルコゲン元素との比は、3/7以上7/3以下である、前記(1)または(2)に記載の記憶素子。
(4)前記遷移金属元素は、チタン(Ti),ジルコニウム(Zr)およびハフニウム(Hf)のうちの少なくとも1種である、前記(1)乃至(3)のいずれか1つに記載の記憶素子。
(5)前記記憶層は抵抗変化層が第1電極側にあり、この抵抗変化層は金属元素の酸化膜、窒化膜または酸窒化膜によって構成されている、前記(1)乃至(4)のいずれか1つに記載の記憶素子。
(6)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抵抗変化層内に前記金属元素を含む、あるいは酸素欠陥を含む低抵抗部が形成されることにより抵抗値が変化する、前記(1)乃至(5)のいずれか1つに記載の記憶素子。
(7)前記イオン源層は銅(Cu)およびアルミニウム(Al)を含まない、前記(1)乃至(6)のいずれか1つに記載の記憶素子。
(8)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、少なくともカルコゲン元素、酸素および遷移金属元素を含むイオン源層を備え、前記遷移金属元素は、周期律表第4族、第5族および第6族に含まれる1種あるいは2種以上の金属元素からのみ選ばれる記憶装置。
Claims (7)
- 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、
少なくともカルコゲン元素、酸素および遷移金属元素を含むイオン源層を備え、
前記遷移金属元素は、周期律表第4族、第5族および第6族に含まれる1種あるいは2種以上の金属元素からのみ選ばれ、
前記イオン源層に含まれる酸素量は28%以上50%以下である
記憶素子。 - 前記イオン源層に含まれる前記遷移金属元素と前記カルコゲン元素との組成比は、0.75以上2.33以下である、請求項1に記載の記憶素子。
- 前記遷移金属元素は、チタン(Ti),ジルコニウム(Zr)およびハフニウム(Hf)のうちの少なくとも1種である、請求項1または2に記載の記憶素子。
- 前記記憶層は抵抗変化層が第1電極側にあり、前記抵抗変化層は金属元素の酸化膜、窒化膜または酸窒化膜によって構成されている、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の記憶素子。
- 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抵抗変化層内に前記金属元素を含む、あるいは酸素欠陥を含む低抵抗部が形成されることにより抵抗値が変化する、請求項4に記載の記憶素子。
- 前記イオン源層は銅(Cu)およびアルミニウム(Al)を含まない、請求項1乃至5のいずれか1つに記載の記憶素子。
- 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、
少なくともカルコゲン元素、酸素および遷移金属元素を含むイオン源層を備え、
前記遷移金属元素は、周期律表第4族、第5族および第6族に含まれる1種あるいは2種以上の金属元素からのみ選ばれ、
前記イオン源層に含まれる酸素量は28%以上50%以下である
記憶装置。
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