JP2004349690A - メモリ抵抗特性を制御する酸素含有量システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 この方法は、マンガナイトを形成するステップと、酸素雰囲気中でマンガナイトをアニーリングするステップと、アニーリングするステップに応じて、マンガナイト中の酸素含有量を制御するステップと、酸素含有量に応じて、マンガナイト間の抵抗を制御するステップとを包含する。このマンガナイトは、一般式RE1−xAExMnOyを有するペロブスカイト型マンガンスオキサイドであり、ここでREは希土類イオンであり、AEはアルカリ土類イオンであり、かつxは0.1から0.5の範囲にある。マンガナイト中の酸素含有量を制御するステップは、酸素の豊富なRE1−xAExMnOy領域であって、yは3より大きい、領域を形成するステップを含む。結果として、低抵抗は、酸素の豊富なマンガナイト領域を生じる。yが3より小さい場合、高抵抗が形成される。
【選択図】 図10
Description
本発明は、不揮発性メモリアレイおよびアナログ抵抗器の用途に適した薄膜抵抗メモリデバイスについて記載する。本発明のメモリセルは、その非対称特性によって、抵抗性不揮発性超小型メモリセルとして製造され得る場合でさえも、信頼性を持たせてプログラミングされ得る。
図1Aおよび図1Bは、プログラミング動作(図1A)および消去動作(図1B)中のメモリセルの部分的断面図である。上部電極および下部電極は、同一であり、メモリ抵抗材料は、全体を通して均一である。デバイスの幾何学構造が、完全に対称的にされ得る場合、正味の抵抗は、負の電界(図1A)または正の電界(図1B)のどちらが印加されても、高抵抗状態で一定となる。そのような状況下では、プログラミングは不可能となる。従って、図1Aおよび図1Bのどちらかのような完全に対称的なデバイス構造は、実用的ではない。
本発明のセルまたはメモリ膜は、幾何学的に対称となり得るが、物理的には非対称の特性を有する。本発明のデバイスでは、メモリ抵抗材料の結晶構造は、膜全体間で実質的に均一になり得る。膜全体間とは、下部電極から上部電極までである。しかし、酸素の分配が、メモリ抵抗薄膜を通して制御され、そのことが、デバイススイッチング特性に影響を与える。
(要約)
本発明により、メモリ材料の抵抗特性を制御するメモリセルおよび方法を提供される。この方法は、マンガナイトを形成するステップと、酸素雰囲気中でマンガナイトをアニーリングするステップと、アニーリングするステップに応じて、マンガナイト中の酸素含有量を制御するステップと、酸素含有量に応じて、マンガナイト間の抵抗を制御するステップとを包含する。このマンガナイトは、一般式RE1−xAExMnOyを有するペロブスカイト型マンガンスオキサイドであり、ここでREは希土類イオンであり、AEはアルカリ土類イオンであり、かつxは0.1から0.5の範囲にある。マンガナイト中の酸素含有量を制御するステップは、酸素の豊富なRE1−xAExMnOy領域であって、yは3より大きい、領域を形成するステップを含む。結果として、低抵抗は、酸素の豊富なマンガナイト領域を生じる。yが3より小さい場合、高抵抗が形成される。より具体的には、このプロセスは、酸素の不足した高抵抗マンガナイト領域に隣接する低抵抗酸素の豊富なマンガナイト領域を形成する。
302 酸素の不足したマンガナイト領域
304 酸素の豊富なマンガナイト領域
306 酸素の豊富なマンガナイト領域の厚さ
308 酸素の不足したマンガナイト領域の厚さ
400 メモリセル
402 下部電極
404 酸素の不足したマンガナイト領域
406 酸素の豊富なマンガナイト領域
408 上部電極
410 酸素の豊富なマンガナイト領域の厚さ
412 酸素の不足したマンガナイト領域の厚さ
Claims (54)
- メモリ材料の抵抗特性を制御する方法であって、該方法は、
マンガナイトを形成するステップと、
酸素雰囲気中で該マンガナイトをアニーリングするステップと、
該アニーリングするステップに応じて、該マンガナイト中の酸素含有量を制御するステップと
を包含する、方法。 - 前記酸素含有量に応じて、前記マンガナイト間の抵抗を制御するステップ
をさらに包含する、請求項1に記載の方法。 - マンガナイトを形成するステップは、一般式RE1−xAExMnOyを有するペロブスカイト型マンガンスオキサイドからなる群から選択される1つの材料からマンガナイトを形成するステップを含み、ここでREは希土類イオンであり、AEはアルカリ土類イオンであり、かつxは0.1から0.5の範囲にある、請求項2に記載の方法。
- マンガナイトを形成するステップは、物理的気相成長(PVD)、有機金属化学気相成長(MOCVD)、および有機金属スピンコーティング(MOD)からなる群から選択される1つのプロセスにより、マンガナイトを形成するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記アニーリングするステップに応じて、前記マンガナイト中の酸素含有量を制御するステップは、酸素の豊富なRE1−xAExMnOy領域を形成するステップを含み、ここでyは3より大きい、請求項3に記載の方法。
- 前記酸素含有量に応じて、前記マンガナイト間の抵抗を制御するステップは、前記酸素の豊富なマンガナイト領域において低抵抗を形成するステップを含む、請求項5に記載の方法。
- 前記アニーリングするステップに応じて、前記マンガナイト中の酸素含有量を制御するステップは、酸素の不足したRE1−xAExMnOy領域であって、ここでyは3より小さい、領域を形成するステップを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記酸素含有量に応じて、前記マンガナイト中の抵抗を制御するステップは、前記酸素の不足した領域において高抵抗を形成するステップを含む、請求項7に記載の方法。
- 前記アニーリングするステップに応じて、前記マンガナイト中の酸素含有量を制御するステップは、酸素の豊富なRE1−xAExMnOy領域であって、ここでyは3より大きい、領域と、酸素の不足したRE1−xAExMnOy領域であって、ここでyは3より小さい、領域とを形成するステップを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記酸素含有量に応じて、前記マンガナイト間の抵抗を制御するステップは、前記酸素の豊富なマンガナイト領域において第1の低抵抗を形成し、かつ前記酸素の不足したマンガナイト領域において該第1の抵抗よりも大きい第2の抵抗を形成するステップを含む、請求項9に記載の方法。
- 酸素の豊富なマンガナイト領域および酸素の不足したマンガナイト領域を形成するステップは、該酸素の不足したマンガナイト領域に隣接する該酸素の豊富なマンガナイト領域を形成するステップを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記マンガナイト領域にパルス電界を印加するステップと、
該パルス電界に応じて、該マンガナイト間の全体の抵抗を変化させるステップと
をさらに包含する、請求項11に記載の方法。 - 前記マンガナイトにパルス電界を印加するステップは、0.1メガボルト/センチメートル(MV/cm)から0.5MV/cmの範囲にある電界強度および1ナノ秒(ns)から10マイクロ秒(μs)の範囲の期間を有する第1の負のパルス電界を印加するステップを含み、
前記パルス電界に応じて、該マンガナイト間の全体の抵抗を変化させるステップは、該第1の電界に応じて、全体の抵抗を100オーム(ohm)から10メガオーム(Mohm)の範囲に形成するステップを含む、請求項12に記載の方法。 - 前記マンガナイトにパルス電界を印加するステップは、0.1メガボルト/センチメートル(MV/cm)から0.5MV/cmの範囲にある電界強度および1ナノ秒(ns)から10マイクロ秒(μs)の範囲の期間を有する第2の正のパルス電界を印加するステップを含み、
前記パルス電界に応じて、該マンガナイト間の全体の抵抗を変化させるステップは、該第2の電界に応じて、全体の抵抗を100ohmから1キロオーム(kohm)の範囲に形成するステップを含む、請求項13に記載の方法。 - 前記パルス電界に応じて、前記マンガナイト間の全体の抵抗を変化させるステップは、
前記酸素の不足したマンガナイト領域の抵抗を変化させるステップと、
前記酸素の豊富なマンガナイト領域の抵抗を一定に保つステップと
を含む、請求項12に記載の方法。 - 酸素雰囲気中で前記マンガナイトをアニーリングするステップは、
600℃よりも低い温度で1時間よりも短い期間、該マンガナイトをアニーリングするステップを含む、請求項1に記載の方法。 - メモリ抵抗の抵抗特性を制御する方法であって、該方法は、
下部電極を形成するステップと、
該下部電極上に載るマンガナイトを形成するステップと、
該マンガナイト上に載る上部電極を形成するステップと、
酸素雰囲気中で該マンガナイトをアニーリングするステップと、
該アニーリングするステップに応じて、該マンガナイト中の酸素含有量を制御するステップと
を包含する、方法。 - 前記酸素含有量に応じて、前記マンガナイト間の抵抗を制御するステップ
をさらに包含する、請求項17に記載の方法。 - マンガナイトを形成するステップは、一般式RE1−xAExMnOyを有するペロブスカイト型マンガンスオキサイドからなる群から選択される1つの材料からマンガナイトを形成するステップを含み、ここでREは希土類イオンであり、AEはアルカリ土類イオンであり、かつxは0.1から0.5の範囲にある、請求項18に記載の方法。
- マンガナイトを形成するステップは、物理的気相成長(PVD)、有機金属化学気相成長(MOCVD)、および有機金属スピンコーティング(MOD)からなる群から選択される1つのプロセスにより、マンガナイトを形成するステップを含む、請求項17に記載の方法。
- 前記アニーリングするステップに応じて、前記マンガナイト中の酸素含有量を制御するステップは、酸素の豊富なRE1−xAExMnOy領域であって、ここでyは3より大きい、領域を形成するステップを含む、請求項19に記載の方法。
- 前記酸素含有量に応じて、前記マンガナイト間の抵抗を制御するステップは、前記酸素の豊富なマンガナイト領域において低抵抗を形成するステップを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記アニーリングするステップに応じて、前記マンガナイト中の酸素含有量を制御するステップは、酸素の不足したRE1−xAExMnOy領域であって、ここでyは3より小さい、領域を形成するステップを含む、請求項19に記載の方法。
- 前記酸素含有量に応じて、前記マンガナイト中の抵抗を制御するステップは、前記酸素の不足した領域において高抵抗を形成するステップを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記アニーリングするステップに応じて、前記マンガナイト中の酸素含有量を制御するステップは、酸素の豊富なRE1−xAExMnOy領域であって、ここでyは3より大きい、領域と、酸素の不足したRE1−xAExMnOy領域であって、ここでyは3より小さい、領域とを形成するステップを含む、請求項19に記載の方法。
- 前記酸素含有量に応じて、前記マンガナイト間の抵抗を制御するステップは、前記酸素の豊富なマンガナイト領域において第1の低抵抗を形成し、かつ前記酸素の不足したマンガナイト領域において該第1の抵抗よりも大きい第2の抵抗を形成するステップを含む、請求項25に記載の方法。
- 酸素の豊富なマンガナイト領域および酸素の不足したマンガナイト領域を形成するステップは、該酸素の不足したマンガナイト領域に隣接する該酸素の豊富なマンガナイト領域を形成するステップを含む、請求項26に記載の方法。
- 前記マンガナイト領域にパルス電界を印加するステップと、
該パルス電界に応じて、該マンガナイト間の全体の抵抗を変化させるステップと
をさらに包含する、請求項27に記載の方法。 - 前記マンガナイトにパルス電界を印加するステップは、0.1メガボルト/センチメートル(MV/cm)から0.5MV/cmの範囲にある電界強度および1ナノ秒(ns)から10マイクロ秒(μs)の範囲の期間を有する第1の負のパルス電界を印加するステップを含み、
前記パルス電界に応じて、該マンガナイト間の全体の抵抗を変化させるステップは、該第1の電界に応じて、全体の抵抗を100オーム(ohm)から10メガオーム(Mohm)の範囲に形成するステップを含む、請求項28に記載の方法。 - 前記マンガナイトにパルス電界を印加するステップは、0.1メガボルト/センチメートル(MV/cm)から0.5MV/cmの範囲にある電界強度および1ナノ秒(ns)から10マイクロ秒(μs)の範囲の期間を有する第2の正のパルス電界を印加するステップを含み、
前記パルス電界に応じて、該マンガナイト間の全体の抵抗を変化させるステップは、該第2の電界に応じて、全体の抵抗を100ohmから1キロオーム(kohm)の範囲に形成するステップを含む、請求項29に記載の方法。 - 前記パルス電界に応じて、前記マンガナイト間の全体の抵抗を変化させるステップは、
前記酸素の不足したマンガナイト領域の抵抗を変化させるステップと、
前記酸素の豊富なマンガナイト領域の抵抗を一定に保つステップと
を含む、請求項28に記載の方法。 - 酸素雰囲気中で前記マンガナイトをアニーリングするステップは、
600℃よりも低い温度で1時間よりも短い期間、該マンガナイトをアニーリングするステップを含む、請求項17に記載の方法。 - 上部電極を形成するステップは、Pt、TiN、TaN、TiAlN、TaAlN、Ag、Au、およびIrからなる群から選択される1つの材料から上部電極を形成するステップを含み、
下部電極を形成するステップは、Pt、TiN、TaN、TiAlN、TaAlN、Ag、Au、およびIrからなる群から選択される1つの材料から下部電極を形成するステップを含む、請求項17に記載の方法。 - 酸素含有量が制御されたメモリ抵抗膜であって、該膜は、
酸素の不足したマンガナイト領域と、
該酸素の不足したマンガナイト領域に隣接する、酸素の豊富なマンガナイト領域と
を含む、メモリ抵抗膜。 - 前記酸素の豊富なマンガナイト領域は、一般式RE1−xAExMnOyを有するペロブスカイト型マンガンスオキサイドからなる群から選択され、ここでREは希土類イオンであり、AEはアルカリ土類イオンであり、かつxは0.1から0.5の範囲にあり、yは3より大きく、
前記酸素の不足したマンガナイト領域は、一般式RE1−xAExMnOyを有するペロブスカイト型マンガンスオキサイドからなる群から選択され、ここでyは3より小さい、請求項34に記載のメモリ抵抗膜。 - 前記酸素の豊富なマンガナイト領域は、前記酸素の不足したマンガナイト領域の抵抗よりも低い抵抗を有する、請求項35に記載のメモリ抵抗膜。
- 前記酸素の豊富なマンガナイト領域および前記酸素の不足したマンガナイト領域は、全体で負の電界に応じる第1の抵抗を有し、
前記酸素の豊富なマンガナイト領域および前記酸素の不足したマンガナイト領域は、全体で正の電界に応じる、該第1の抵抗よりも低い第2の抵抗を有する、請求項36に記載のメモリ抵抗膜。 - 前記酸素の豊富なマンガナイト領域および前記酸素の不足したマンガナイト領域は、0.1メガボルト/センチメートル(MV/cm)から0.5MV/cmの範囲にある電界強度および1ナノ秒(ns)から10マイクロ秒(μs)の範囲の期間を有する第1の負のパルス電界に応じて、100オーム(ohm)から10メガオーム(Mohm)の範囲にある第1の抵抗を有する、請求項37に記載のメモリ抵抗膜。
- 前記酸素の豊富なマンガナイト領域および前記酸素の不足したマンガナイト領域は、0.1メガボルト/センチメートル(MV/cm)から0.5MV/cmの範囲にある電界強度および1ナノ秒(ns)から10マイクロ秒(μs)の範囲の期間を有する第2の正のパルス電界に応じて、100オーム(ohm)から10キロオーム(kohm)の範囲にある第2の抵抗を有する、請求項38に記載のメモリ抵抗膜。
- 前記酸素の不足したマンガナイト領域は、電界に応じて抵抗を変化させ、
前記酸素の豊富なマンガナイト領域は、電界に応じて抵抗を一定に保つ、請求項37に記載のメモリ抵抗膜。 - 前記酸素の豊富なマンガナイト領域は、20から150ナノメートル(nm)の範囲の厚さを有する、請求項34に記載のメモリ抵抗膜。
- 前記酸素の不足したマンガナイト領域は、20から150ナノメートル(nm)の範囲の厚さを有する、請求項34に記載のメモリ抵抗膜。
- 前記酸素の不足したマンガナイト領域は、前記酸素の豊富なマンガナイト領域の0.5から1.5倍の範囲の厚さを有する、請求項34に記載のメモリ抵抗膜。
- 酸素含有量が制御されたメモリセルであって、該セルは、
下部電極と、
該下部電極上に載る酸素の不足したマンガナイト領域と、
該酸素の不足したマンガナイト領域に隣接する、酸素の豊富なマンガナイト領域と、
該酸素の豊富なマンガナイト領域および該酸素の不足したマンガナイト領域上に載る上部電極と
を含む、メモリセル。 - 前記酸素の豊富なマンガナイト領域は、一般式RE1−xAExMnOyを有するペロブスカイト型マンガンスオキサイドからなる群から選択され、ここでREは希土類イオンであり、AEはアルカリ土類イオンであり、かつxは0.1から0.5の範囲にあり、yは3より大きく、
前記酸素の不足したマンガナイト領域は、一般式RE1−xAExMnOyを有するペロブスカイト型マンガンスオキサイドからなる群から選択され、ここでyは3より小さい、請求項44に記載のメモリセル。 - 前記酸素の豊富なマンガナイト領域は、前記酸素の不足したマンガナイト領域の抵抗よりも低い抵抗を有する、請求項45に記載のメモリセル。
- 前記酸素の豊富なマンガナイト領域および前記酸素の不足したマンガナイト領域は、全体で負の電界に応じる第1の抵抗を有し、
前記酸素の豊富なマンガナイト領域および前記酸素の不足したマンガナイト領域は、全体で正の電界に応じる、該第1の抵抗よりも低い第2の抵抗を有する、請求項46に記載のメモリセル。 - 前記酸素の豊富なマンガナイト領域および前記酸素の不足したマンガナイト領域は、0.1メガボルト/センチメートル(MV/cm)から0.5MV/cmの範囲にある電界強度および1ナノ秒(ns)から10マイクロ秒(μs)の範囲の期間を有する第1の負のパルス電界に応じて、100オーム(ohm)から10メガオーム(Mohm)の範囲にある第1の抵抗を有する、請求項47に記載のメモリセル。
- 前記酸素の豊富なマンガナイト領域および前記酸素の不足したマンガナイト領域は、0.1メガボルト/センチメートル(MV/cm)から0.5MV/cmの範囲にある電界強度および1ナノ秒(ns)から10マイクロ秒(μs)の範囲の期間を有する第2の正のパルス電界に応じて、100オーム(ohm)から10キロオーム(kohm)の範囲にある第2の抵抗を有する、請求項48に記載のメモリセル。
- 前記酸素の不足したマンガナイト領域は、電界に応じて抵抗を変化させ、
前記酸素の豊富なマンガナイト領域は、電界に応じて抵抗を一定に保つ、請求項47に記載のメモリセル。 - 前記酸素の豊富なマンガナイト領域は、20から150ナノメートル(nm)の範囲の厚さを有する、請求項44に記載のメモリセル。
- 前記酸素の不足したマンガナイト領域は、20から150ナノメートル(nm)の範囲の厚さを有する、請求項44に記載のメモリセル。
- 前記酸素の不足したマンガナイト領域は、前記酸素の豊富なマンガナイト領域の0.5から1.5倍の範囲の厚さを有する、請求項44に記載のメモリセル。
- 前記上部電極は、Pt、TiN、TaN、TiAlN、TaAlN、Ag、Au、およびIrからなる群から選択される1つの材料であり、
前記下部電極は、Pt、TiN、TaN、TiAlN、TaAlN、Ag、Au、およびIrからなる群から選択される1つの材料である、請求項44に記載のメモリセル。
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