JP2005340786A - メモリ抵抗特性を有するpcmo薄膜の形成方法及びpcmoデバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】 ユニポーラまたはバイポーラ電圧パルスに応じた可逆抵抗スイッチ特性を有するPCMOデバイス、及び、PCMO薄膜の形成方法を提供する。
【解決手段】 メモリ抵抗特性に関連した結晶状態を有するPCMO(Pr0.3Ca0.7MnO3)薄膜の形成方法であって、第1結晶状態を有するPCMO薄膜を形成する工程と、第1結晶状態に応じたパルス極性を利用してPCMO薄膜の抵抗状態を変化させる工程とを有する。
【選択図】 図8
【解決手段】 メモリ抵抗特性に関連した結晶状態を有するPCMO(Pr0.3Ca0.7MnO3)薄膜の形成方法であって、第1結晶状態を有するPCMO薄膜を形成する工程と、第1結晶状態に応じたパルス極性を利用してPCMO薄膜の抵抗状態を変化させる工程とを有する。
【選択図】 図8
Description
本発明は、集積回路(IC)メモリデバイスに関し、より詳細には、結晶状態に応じたメモリ特性を有するPCMO薄膜の形成方法及びPCMOデバイスに関する。
PCMO(Pr0.3Ca0.7MnO3)金属酸化薄膜は、室温で印加したバイポーラ電圧パルスに応じて電気的抵抗が可逆的に変化する可変抵抗であり、パルスレーザ堆積(PLD)技術を用いて、エピタキシャルなYBCO(YBa2Cu3O7)基板及び部分的にエピタキシャルなPt基板上に形成される。特許文献1には、結果として、ユニポーラ電圧パルスに応じた可逆抵抗特性を有するPCMO膜となる回転塗布PCMO薄膜堆積法が開示されている。
PCMO膜の抵抗状態の変化は、1桁〜3桁の変化の範囲で観測される。これらの特性が、PCMOをメモリセル及び抵抗RAM(RRAM:シャープ株式会社の登録商標)装置で用いるのにより適したものとしている。これらのメモリセルデバイスは、典型的には、少なくとも一部が貴金属で形成された少なくとも1つの電極を、PCMOメモリ抵抗物質に隣接させて形成される。
PCMO薄膜の堆積法は複数あり、物理的気相成長法(PVD)、有機金属化学気相成長法(MOCVD)、及び、回転塗布法等がある。3つ目の回転塗布法は、相対的に低コストでプロセスが簡素であることから、大規模工場における最良候補の1つである。
従って、PCMO薄膜特性とパルス極性との関連を利用することができれば有益である。また、PCMO薄膜の抵抗状態を変化させるために必要なパルス極性をPCMO薄膜の特性に応じて切り替えることができれば有益である。
本発明は、ユニポーラまたはバイポーラ電圧パルスに応じた可逆抵抗スイッチ特性を有するPCMO薄膜の形成方法を提供することを目的とする。また、ユニポーラまたはバイポーラ電圧パルスに応じた可逆抵抗スイッチ特性を有するPCMO薄膜を提供することを目的とする。
この目的を達成するための本発明に係るPCMO薄膜の形成方法の特徴構成は、メモリ抵抗特性に関連した結晶状態を有するPCMO(Pr0.3Ca0.7MnO3)薄膜の形成方法であって、第1結晶状態を有する前記PCMO薄膜を形成する工程と、前記第1結晶状態に応じたパルス極性を利用して前記PCMO薄膜の抵抗状態を変化させる工程とを有することを第1の特徴とする。
上記第1の特徴の本発明に係るPCMO薄膜の形成方法の特徴構成は、更に、前記PCMO薄膜を形成する工程が、アモルファス状態及び弱結晶質状態を含むグループから選択された第1結晶状態を有する前記PCMO薄膜を形成する工程を有し、前記PCMO薄膜の前記抵抗状態を変化させる工程が、ユニポーラパルスに応じて前記PCMO薄膜の前記抵抗状態を変化させる工程を有することを第2の特徴とする。
上記特徴の本発明に係るPCMO薄膜の形成方法の特徴構成は、更に、前記ユニポーラパルスに応じて前記PCMO薄膜の前記抵抗状態を変化させる工程が、電圧振幅2〜10V、パルス幅10〜1000nsの電圧パルスに応じた高抵抗状態に書き込む工程と、電圧振幅2〜5V、パルス幅1.5μs〜10msの電圧パルスに応じた低抵抗状態にリセットする工程とを有することを第3の特徴とする。
上記第3の特徴の本発明に係るPCMO薄膜の形成方法の特徴構成は、前記高抵抗状態に書き込む工程が、前記抵抗状態を約60kΩ〜10MΩの範囲の高抵抗状態に変化させ、前記低抵抗状態にリセットする工程が、前記抵抗状態を約0.5kΩ〜50kΩの範囲の低抵抗状態に変化させることを特徴とする。
上記第3の特徴の本発明に係るPCMO薄膜の形成方法の特徴構成は、前記PCMO薄膜を形成する工程が、アモルファス状態の前記PCMO薄膜を形成する工程を有し、前記高抵抗状態に書き込む工程が、前記抵抗状態を、電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスを用いて約60kΩ以上の高抵抗状態に変化させ、前記低抵抗状態にリセットする工程が、前記抵抗状態を、電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスを用いて約50kΩ以下の低抵抗状態に変化させることを特徴とする。上記特徴の本発明に係るPCMO薄膜の形成方法の特徴構成は、更に、前記アモルファス状態の前記PCMO薄膜を形成する工程が、回転塗布法により、250nm或いはそれ以上の厚さの前記PCMO薄膜を形成することを特徴とする。
上記第3の特徴の本発明に係るPCMO薄膜の形成方法の特徴構成は、前記PCMO薄膜を形成する工程が、弱結晶質状態の前記PCMO薄膜を形成する工程を有し、前記高抵抗状態を書き込む工程が、前記抵抗状態を、電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスを用いて約60kΩ以上の高抵抗状態に変化させ、前記低抵抗状態にリセットする工程が、前記抵抗状態を、電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスを用いて約50kΩ以下の低抵抗状態に変化させることを特徴とする。上記特徴の本発明に係るPCMO薄膜の形成方法の特徴構成は、更に、前記弱結晶質状態の前記PCMO薄膜を形成する工程が、有機金属化学気相成長法(MOCVD)を用いて約20nmの厚さのPCMOからなる多結晶シード層を堆積する工程と、前記シード層上に、全体の厚さが約250nmとなるように、回転塗布法により、複数の回転塗布PCMO層を形成する工程と、を有することを特徴とする。
上記第1の特徴の本発明に係るPCMO薄膜の形成方法の特徴構成は、前記PCMO薄膜を形成する工程が、多結晶質状態の前記PCMO薄膜を形成する工程を有し、前記PCMO薄膜の前記抵抗状態を変化させる工程が、バイポーラパルスに応じて前記PCMO薄膜の前記抵抗状態を変化させる工程を有することを特徴とする。上記特徴の本発明に係るPCMO薄膜の形成方法の特徴構成は、更に、前記バイポーラパルスに応じて前記PCMO薄膜の前記抵抗状態を変化させる工程が、電圧振幅5V以下、パルス幅1ms以下の電圧パルスに応じた高抵抗状態に書き込む工程と、電圧振幅−5V以上、パルス幅1ms以下の電圧パルスに応じた低抵抗状態にリセットする工程と、を有することを特徴とする。更に、上記特徴の本発明に係るPCMO薄膜の形成方法の特徴構成は、前記高抵抗状態を書き込む工程が、前記抵抗状態を約300kΩ以上の範囲の高抵抗状態に変化させ、前記低抵抗状態にリセットする工程が、前記抵抗状態を約5kΩ以下の範囲の低抵抗状態に変化させることを特徴とする。また、上記特徴の本発明に係るPCMO薄膜の形成方法の特徴構成は、前記多結晶質状態の前記PCMO薄膜を形成する工程が、有機金属化学気相法(MOCVD)を用いて、約200nmの厚さの前記PCMO薄膜を堆積することを特徴とする。
この目的を達成するための本発明に係るPCMOデバイスの特徴構成は、メモリ抵抗特性に関連した結晶状態を有するPCMOデバイスであって、下部電極と、前記下部電極を覆うPCMO薄膜と、前記PCMO薄膜を覆う上部電極とを備え、前記PCMO薄膜は、第1結晶状態を有し、前記第1結晶状態に応じたパルス極性を利用して切り替えられた抵抗状態を有することを第1の特徴とする。
上記第1の特徴の本発明に係るPCMOデバイスは、前記PCMO薄膜が、約30〜1000nmの厚さであることを第2の特徴とする。
上記第1の特徴の本発明に係るPCMOデバイスは、前記PCMO薄膜が、アモルファス状態または弱結晶質状態を含むグループから選択された第1結晶状態を有し、前記PCMO薄膜の前記抵抗状態は、ユニポーラパルスによって切り替えられることを第3の特徴とする。
上記第3の特徴の本発明に係るPCMOデバイスは、前記PCMO薄膜が、電圧振幅2〜10V、パルス幅10〜1000nsの電圧パルスに応じた高抵抗状態に書き込まれ、電圧振幅2〜5V、パルス幅1.5μs〜10msの電圧パルスに応じた低抵抗状態にリセットされることを第4の特徴とする。
上記第4の特徴の本発明に係るPCMOデバイスは、更に、前記PCMO薄膜が、前記抵抗状態として、約60kΩ〜10MΩの範囲の高抵抗状態と、約0.5kΩ〜50kΩの範囲の低抵抗状態とを持つことを特徴とする。
上記第4の特徴の本発明に係るPCMOデバイスは、更に、前記第1結晶状態がアモルファス状態であり、前記アモルファス状態の前記PCMO薄膜は、電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスを用いた場合に約60kΩ以上の高抵抗状態となり、電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスを用いた場合に約50kΩ以下の低抵抗状態となることを特徴とする。
更に、上記第4の特徴の本発明に係るPCMOデバイスは、前記第1結晶状態が弱結晶質状態であり、前記弱結晶質状態の前記PCMO薄膜は、電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスを用いた場合に約60kΩ以上の高抵抗状態となり、電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスを用いた場合に約50kΩ以下の低抵抗状態となることを特徴とする。上記特徴の本発明に係るPCMOデバイスは、更に、前記弱結晶質状態の前記PCMO薄膜が、前記下部電極上に、PCMOからなる多結晶シード層を備え、前記多結晶シード層上に、PCMOからなるアモルファス層を備えることを特徴とする。
上記第1の特徴の本発明に係るPCMOデバイスは、前記第1結晶状態が多結晶質状態であり、前記多結晶質状態の前記PCMO薄膜の抵抗状態は、バイポーラパルスに応じて切り替えられることを特徴とする。上記特徴の本発明に係るPCMOデバイスは、更に、前記多結晶質状態の前記PCMO薄膜は、電圧振幅5V以下、パルス幅1ms以下の電圧パルスに応じた高抵抗状態に書き込まれ、電圧振幅−5V以上、パルス幅1ms以下の電圧パルスに応じた低抵抗状態にリセットされることを特徴とする。更に、上記特徴の本発明に係るPCMOデバイスは、前記多結晶質状態の前記PCMO薄膜は、前記抵抗状態として、約300kΩ以上の範囲の高抵抗状態と、約5kΩ以下の範囲の低抵抗状態とを持つことを特徴とする。
ここでの結晶状態は、非結晶質(アモルファス)状態、弱結晶質状態、高結晶質状態等を含むものであり、弱結晶質状態は、アモルファスと高結晶質とが混在した状態を示している。
上記何れかの特徴の本発明に係るPCMO(Pr0.3Ca0.7MnO3)デバイスでは、前記薄膜堆積法及びその結晶状態を基礎とし、ユニポーラまたはバイポーラ電圧パルスに応じた可逆抵抗スイッチ特性を有するPCMO薄膜を提供する。
ここで、ユニポーラスイッチは、弱多結晶質状態のPCMO薄膜と関連があり、バイポーラスイッチは、多結晶質状態のPCMO薄膜に起因する振る舞いをする。これに応じて、上記何れかの特徴の本発明に係るPCMO薄膜の形成方法では、メモリ抵抗特性と関連する結晶状態を持つPCMO薄膜の形成方法を提供する。本発明に係るPCMO薄膜の形成方法は、第1結晶状態を有するPCMO薄膜を形成する工程と、第1結晶状態に応じたパルス極性を用い、PCMO薄膜の抵抗状態を変化させる工程とを備える。このため、第1結晶状態がアモルファス状態または弱結晶質状態である場合は、PCMO薄膜の抵抗状態をユニポーラパルスに応じて変化させることが可能になる。
例えば、ユニポーラパルスに応じてPCMO薄膜の抵抗状態を変化させる工程は、電圧振幅2〜10V、パルス幅10〜1000nsの電圧パルスに応じた、60kΩ〜10mΩの範囲の高抵抗状態に書き込む工程と、電圧振幅2〜5V、パルス幅1.5μs〜10msの電圧パルスに応じた、0.5kΩ〜50kΩの範囲の低抵抗状態にリセットする工程とを含む。
また、PCMO薄膜が多結晶質状態である場合は、PCMO薄膜の抵抗状態をバイポーラパルスに応じて変化させることが可能になる。例えば、バイポーラパルスに応じて多結晶質状態のPCMO薄膜の抵抗状態を変化させる工程は、抵抗状態を、電圧振幅5V以下、パルス幅1ms以下の電圧パルスに応じた、300kΩ以上の範囲の高抵抗状態に書き込む工程と、電圧振幅−5V以上、パルス幅1ms以下の電圧パルスに応じた、5kΩ以下の低抵抗状態にリセットする工程とを含む。
上記本発明に係るPCMO薄膜の形成方法、及び、メモリ特性に関連した結晶状態を有する本発明に係るPCMOデバイスについて、以下に詳細を説明する。
以下、本発明に係るPCMO薄膜の形成方法(以下、適宜「本発明方法」と略称する)及びPCMO薄膜の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1(A)は、本発明に係るPCMO(Pr0.3Ca0.7MnO3)デバイスの部分断面図であり、本発明に係るPCMOデバイスは、メモリ抵抗特性に対応する結晶状態を有している。PCMOデバイス100は、下部電極(BE)102と、下部電極102を覆う第1結晶状態のPCMO薄膜104とを備えて構成される。PCMO薄膜104は、第1結晶状態に応じたパルス極性を用いて選択された抵抗状態を持つ。上部電極(TE)106はPCMO薄膜104を覆っている。PCMO薄膜104の厚さtは、約30〜1000nm(300〜10,000Å)の範囲である。下部電極102及び上部電極106は、貴金属物質のような従来の電極物質によって形成されている。
PCMO薄膜104の一例として、第1結晶状態が、アモルファス状態または弱結晶質状態の何れか一方であり、PCMO薄膜104の抵抗状態が、ユニポーラパルスに応じて切り替えられる場合について説明する。例えば、PCMO薄膜104は、電圧振幅2〜10V、パルス幅10〜1000nsの範囲の電圧パルスに応じた高抵抗状態に書き込まれる。PCMO薄膜104は、電圧振幅2〜5V、パルス幅1.5μs〜10msの範囲の電圧パルスに応じた低抵抗状態にリセットすることができる。PCMO薄膜104は、約60kΩ〜10MΩの範囲の高抵抗状態と、約0.5kΩ〜50kΩの範囲の低抵抗状態とを持つ。
より詳細には、PCMO薄膜104の第1結晶状態がアモルファス状態である場合、PCMO薄膜104は、電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスを用いると、約60kΩ以上の高抵抗状態となる。アモルファス状態のPCMO薄膜104は、電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスを用いると、約50kΩ以下の低抵抗状態となる。
図1(B)は、弱結晶質状態の本発明に係るPCMOデバイスの部分断面図である。弱結晶質状態のPCMOデバイスは、下部電極102を覆う多結晶質状態のシード層となるPCMO薄膜104aと、PCMO薄膜104aを覆うアモルファス層となるPCMO薄膜104bとで形成される。アモルファス状態のPCMO薄膜104bは、例えば、回転塗布法(spin-coat)によって形成される。本実施形態において、PCMO薄膜104bは、3つの回転塗布層で構成される。PCMO薄膜104aとPCMO薄膜104bの組み合わせ全体における第1結晶状態は、結果として、弱結晶質状態となる。弱結晶質状態のPCMO薄膜104a、104bは、電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスを用いると、約60kΩ以上の高抵抗状態となる。弱結晶質状態のPCMO薄膜104a/104bは、電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスを用いると、約50kΩ以下の低抵抗状態となる。
PCMO薄膜104の他の例として、第1結晶状態が多結晶質状態であり、PCMO薄膜104の抵抗状態がバイポーラパルスに応じて切り替えられる場合について、図1(A)を参照して説明する。例えば、多結晶質状態のPCMO薄膜104は、電圧振幅5V以下、パルス幅1ms以下の電圧パルスに応じて高抵抗状態に書き込まれる。また、多結晶質状態のPCMO薄膜104は、電圧振幅−5V以上、パルス幅1ms以下の電圧パルスに応じて低抵抗状態にリセットされる。多結晶質状態のPCMO薄膜104は、約300kΩ以上の範囲の高抵抗状態と、約5kΩ以下の範囲の低抵抗状態とを持つ。
従来、アモルファス状態は、分子セル中の原子が規則的に配置されていない結晶状態であると定義されていた。アモルファス状態の一例として、ガラスの原子がある。アモルファス状態の試料のX線回折(XRD)では、2θ=32度の近傍には明らかなピークが観測されない。弱結晶質状態の分子セル中の原子は、平均10%以下だけが規則的に配置されており、このような結晶状態の試料に対するXRDでは、弱いピークが2θ=32度の近傍にのみ観測される。多結晶質状態の試料は、良好に結晶化したものであっても、様々な方向性を有する。多結晶質状態の試料に対するXRDでは、2θ=32度で明らかなピークが観測される。より詳細には、図3、図5、図7を参照すると、アモルファス状態の場合、2θ=32度でピークは観測されず、弱結晶質状態のPCMOでは、強度が100カウント/sのピーク観測され、多結晶質状態のPCMOでは、強度が2000カウント/sのピークが観測される。弱結晶質状態のPCMO試料に対する多結晶質状態のPCMO試料のカウント数の比率は、200%増となる。
〈機能〉
PCMO薄膜の結晶状態は、薄膜の電気的特性、及び、PCMO薄膜を可逆抵抗スイッチとして用いる方法に直接影響する。アモルファス状態のPCMO薄膜及び弱結晶質状態のPCMO薄膜は、ユニポーラ電圧パルスを用いることで可逆抵抗スイッチ特性を得られる。相対的に短い電圧パルスを用いることで、書き込む(高抵抗状態を設定する)ことができ、相対的に長い電圧パルスを用いることで、リセットする(低抵抗状態を設定する)ことができる。高結晶質状態のPCMO薄膜は、短バイポーラ電圧パルスを用いることで可逆抵抗スイッチ特性を得られる。PCMO薄膜が多結晶質状態である場合は、弱結晶質状態と高結晶質状態との間で、安定した可逆抵抗スイッチを短い負電圧パルスと長い正電圧パルスによって得ることができる。
PCMO薄膜の結晶状態は、薄膜の電気的特性、及び、PCMO薄膜を可逆抵抗スイッチとして用いる方法に直接影響する。アモルファス状態のPCMO薄膜及び弱結晶質状態のPCMO薄膜は、ユニポーラ電圧パルスを用いることで可逆抵抗スイッチ特性を得られる。相対的に短い電圧パルスを用いることで、書き込む(高抵抗状態を設定する)ことができ、相対的に長い電圧パルスを用いることで、リセットする(低抵抗状態を設定する)ことができる。高結晶質状態のPCMO薄膜は、短バイポーラ電圧パルスを用いることで可逆抵抗スイッチ特性を得られる。PCMO薄膜が多結晶質状態である場合は、弱結晶質状態と高結晶質状態との間で、安定した可逆抵抗スイッチを短い負電圧パルスと長い正電圧パルスによって得ることができる。
以下、本発明方法の実施例について図面を参照して説明する。
〈実施例1〉
PCMO薄膜は、回転塗布工程により形成する。PCMO薄膜の厚さは250nm(2500Å)であり、走査型電子顕微鏡(SEM)によって確認できる。薄膜の組成はPr0.3Ca0.7MnO3である。抵抗は、HP−4145B半導体解析装置を用いて測定でき、電圧パルスはパルスジェネレータによって生成される。安定した可逆抵抗スイッチは、ユニポーラ電圧パルス、即ち、高抵抗状態を書き込むための電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスと、低抵抗状態にリセットするための電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスによって得ることができる。
PCMO薄膜は、回転塗布工程により形成する。PCMO薄膜の厚さは250nm(2500Å)であり、走査型電子顕微鏡(SEM)によって確認できる。薄膜の組成はPr0.3Ca0.7MnO3である。抵抗は、HP−4145B半導体解析装置を用いて測定でき、電圧パルスはパルスジェネレータによって生成される。安定した可逆抵抗スイッチは、ユニポーラ電圧パルス、即ち、高抵抗状態を書き込むための電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスと、低抵抗状態にリセットするための電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスによって得ることができる。
図2は、実施例1のPCMO薄膜のスイッチング特性を示すグラフである。
図3は、実施例1のPCMO薄膜のXRDスペクトルを示している。図3は、PCMO薄膜がアモルファス状態または微細多結晶質状態であることを示している。
図3は、実施例1のPCMO薄膜のXRDスペクトルを示している。図3は、PCMO薄膜がアモルファス状態または微細多結晶質状態であることを示している。
〈実施例2〉
実施例2では、PCMO薄膜は、有機金属化学気相成長法(MOCVD)によって堆積される。可逆抵抗スイッチは、高抵抗状態を書き込むための負電圧パルスと、低抵抗状態にリセットするための正電圧パルスとを用いることで得られる。
実施例2では、PCMO薄膜は、有機金属化学気相成長法(MOCVD)によって堆積される。可逆抵抗スイッチは、高抵抗状態を書き込むための負電圧パルスと、低抵抗状態にリセットするための正電圧パルスとを用いることで得られる。
図4は、実施例2のPCMO薄膜のスイッチング特性を示すグラフである。
図5は、実施例2のPCMO薄膜のXRDスペクトルを示している。このXRDスペクトルは、多結晶質状態のPCMO薄膜の状態を示している。
図5は、実施例2のPCMO薄膜のXRDスペクトルを示している。このXRDスペクトルは、多結晶質状態のPCMO薄膜の状態を示している。
〈実施例3〉
実施例3では、PCMO薄膜として、先ず、MOCVD工程により、20nm(200Å)の厚さの薄いシード層を堆積する。続いて、回転塗布法により3層のPCMO薄膜を堆積する。この結果、PCMO薄膜の厚さは250nmとなる。
実施例3では、PCMO薄膜として、先ず、MOCVD工程により、20nm(200Å)の厚さの薄いシード層を堆積する。続いて、回転塗布法により3層のPCMO薄膜を堆積する。この結果、PCMO薄膜の厚さは250nmとなる。
図6は、実施例3のPCMO薄膜のスイッチング特性を示すダイアグラムである。安定した可逆抵抗スイッチは、高抵抗状態を書き込むための短い負電圧パルス(電圧振幅−5V/パルス幅100ns)、低抵抗状態にリセットするための長い正電圧パルス(電圧振幅4V/パルス幅10μs)を用いて得ることができる。
図7は、実施例3のPCMO薄膜のXRDスペクトルを示している。このXRDスペクトルには、弱結晶質状態を示す弱いピーク[200]が示されている。
図8は、本発明に係るメモリ抵抗特性に関連した結晶状態を有するPCMO薄膜の形成方法を示すフローチャートである。本発明方法は、工程順を各ステップに番号を付して明らかにしているが、これに限定されるものではない。これらの工程のいくつかは、スキップしても良いし、並行に実行しても良く、若しくは、厳密に順番を維持することを条件とすることなく実行しても良い。この方法は、ステップ800から開始する。
ステップ802では、第1結晶状態のPCMO薄膜を形成する。ステップ804では、PCMO薄膜の抵抗状態を、第1結晶状態に応じたパルス極性を用いて変化させる。
本実施例において、ステップ802における第1結晶状態のPCMO薄膜の形成は、アモルファス状態または弱結晶質状態の何れかの第1結晶状態のPCMO薄膜の形成を含む。続いて、ステップ804の第1結晶状態に応じたパルス極性を用いてPCMO薄膜の抵抗状態を変化させる工程は、ユニポーラパルスに応じてPCMO薄膜の抵抗状態を変化させる工程を含む。
例えば、ユニポーラパルスに応じてPCMO薄膜の抵抗状態を変化させる工程は、複数のサブステップを含む。ステップ804aでは、電圧振幅2〜10V、パルス幅10〜1000nsの電圧パルスに応じた高抵抗状態に書き込む。ステップ804bでは、電圧振幅2〜5V、パルス幅1.5μs〜10msの電圧パルスに応じた低抵抗状態にリセットする。本実施例において、PCMO薄膜の抵抗状態は、ステップ804aでは、60kΩ〜10mΩの抵抗値が書き込まれ、ステップ804bでは、0.5kΩ〜50kΩの抵抗値にリセットされる。
より詳細には、PCMO薄膜が、アモルファス状態の第1結晶状態を有する場合、ステップ802では、250nm以上の厚さにPCMO薄膜を回転塗布する。ステップ804aでは、電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスを用いて、抵抗状態を60kΩ以上の高抵抗状態に変化させる。ステップ804bでは、電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスを用いて、抵抗状態を50kΩ以下の低抵抗状態に変化させる。
PCMO薄膜が、弱結晶質状態の第1結晶状態を有する場合、ステップ802は複数のサブステップを有する。ステップ802aは、MOCVD工程を用いて、約20nmの厚さにPCMOを堆積して多結晶質状態のシード層を形成する。ステップ802bは、前記シード層上に、複数のPCMO層を、全体の厚さが約250nmとなるように回転塗布する。続いて、ステップ804aでは、電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスを用いて、抵抗状態を60kΩ以上の高抵抗状態に変化させる。ステップ804bでは、電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスを用いて、抵抗状態を50kΩ以下の低抵抗状態に変化させる。
〈別実施例〉
別実施例では、ステップ802におけるPCMO薄膜の形成は、多結晶質状態の第1結晶状態を持つPCMO薄膜を形成する工程を含む。続いて、ステップ804では、バイポーラパルスに応じてPCMO薄膜の抵抗状態を変化させる。
別実施例では、ステップ802におけるPCMO薄膜の形成は、多結晶質状態の第1結晶状態を持つPCMO薄膜を形成する工程を含む。続いて、ステップ804では、バイポーラパルスに応じてPCMO薄膜の抵抗状態を変化させる。
PCMO薄膜が、多結晶質状態の第1結晶状態を有する場合、ステップ802では、MOCVD工程を用いて、約200nm(2000Å)の厚さにPCMOを堆積する。続いて、ステップ804aでは、電圧振幅5V以下、パルス幅1ms以下の幅の電圧パルスに応じた300kΩ以上の高抵抗状態に書き込む。ステップ804bでは、電圧振幅−5V以上、パルス幅1ms以下の電圧パルスに応じた5kΩ以下の低抵抗状態にリセットする。
PCMOデバイスと、これに関連するPCMO薄膜(PCMOデバイス)の形成方法は、結晶状態とメモリ/スイッチ特性との間の関係を図示して開示されている。本発明に係るPCMOデバイス及びPCMO薄膜形成方法について、いくつかの実施例を開示したが、本発明に係るPCMOデバイス及びPCMO薄膜形成方法は、これらの実施例に限られるものではない。本発明に係るPCMOデバイス及びPCMO薄膜形成方法の他のバリエーションまたは実施例は、これらの技術スキルから導くことができる。
100 PCMOデバイス
102 下部電極
104 PCMO薄膜
104a PCMO薄膜
104b PCMO薄膜
106 上部電極
t PCMO薄膜104の膜厚
102 下部電極
104 PCMO薄膜
104a PCMO薄膜
104b PCMO薄膜
106 上部電極
t PCMO薄膜104の膜厚
Claims (23)
- メモリ抵抗特性に関連した結晶状態を有するPCMO(Pr0.3Ca0.7MnO3)薄膜の形成方法であって、
第1結晶状態を有する前記PCMO薄膜を形成する工程と、
前記第1結晶状態に応じたパルス極性を利用して前記PCMO薄膜の抵抗状態を変化させる工程と、を有することを特徴とするPCMO薄膜の形成方法。 - 前記PCMO薄膜を形成する工程は、アモルファス状態及び弱結晶質状態を含むグループから選択された第1結晶状態を有する前記PCMO薄膜を形成する工程を有し、
前記PCMO薄膜の前記抵抗状態を変化させる工程は、ユニポーラパルスに応じて前記PCMO薄膜の前記抵抗状態を変化させる工程を有することを特徴とする請求項1に記載のPCMO薄膜の形成方法。 - 前記ユニポーラパルスに応じて前記PCMO薄膜の前記抵抗状態を変化させる工程は、電圧振幅2〜10V、パルス幅10〜1000nsの電圧パルスに応じた高抵抗状態に書き込む工程と、電圧振幅2〜5V、パルス幅1.5μs〜10msの電圧パルスに応じた低抵抗状態にリセットする工程と、を有することを特徴とする請求項2に記載のPCMO薄膜の形成方法。
- 前記高抵抗状態に書き込む工程は、前記抵抗状態を約60kΩ〜10MΩの範囲の高抵抗状態に変化させ、
前記低抵抗状態にリセットする工程は、前記抵抗状態を約0.5kΩ〜50kΩの範囲の低抵抗状態に変化させることを特徴とする請求項3に記載のPCMO薄膜の形成方法。 - 前記PCMO薄膜を形成する工程は、アモルファス状態の前記PCMO薄膜を形成する工程を有し、
前記高抵抗状態に書き込む工程は、前記抵抗状態を、電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスを用いて約60kΩ以上の高抵抗状態に変化させ、
前記低抵抗状態にリセットする工程は、前記抵抗状態を、電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスを用いて約50kΩ以下の低抵抗状態に変化させることを特徴とする請求項3に記載のPCMO薄膜の形成方法。 - 前記アモルファス状態の前記PCMO薄膜を形成する工程は、回転塗布法により、250nm或いはそれ以上の厚さの前記PCMO薄膜を形成することを特徴とする請求項5に記載のPCMO薄膜の形成方法。
- 前記PCMO薄膜を形成する工程は、弱結晶質状態の前記PCMO薄膜を形成する工程を有し、
前記高抵抗状態を書き込む工程は、前記抵抗状態を、電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスを用いて約60kΩ以上の高抵抗状態に変化させ、
前記低抵抗状態にリセットする工程は、前記抵抗状態を、電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスを用いて約50kΩ以下の低抵抗状態に変化させることを特徴とする請求項3に記載のPCMO薄膜の形成方法。 - 前記弱結晶質状態の前記PCMO薄膜を形成する工程は、
有機金属化学気相成長法(MOCVD)を用いて約20nmの厚さのPCMOからなる多結晶シード層を堆積する工程と、
前記シード層上に、全体の厚さが約250nmとなるように、回転塗布法により、複数の回転塗布PCMO層を形成する工程と、を有することを特徴とする請求項7に記載のPCMO薄膜の形成方法。 - 前記PCMO薄膜を形成する工程は、多結晶質状態の前記PCMO薄膜を形成する工程を有し、
前記PCMO薄膜の前記抵抗状態を変化させる工程は、バイポーラパルスに応じて前記PCMO薄膜の前記抵抗状態を変化させる工程を有することを特徴とする請求項1に記載のPCMO薄膜の形成方法。 - 前記バイポーラパルスに応じて前記PCMO薄膜の前記抵抗状態を変化させる工程は、電圧振幅5V以下、パルス幅1ms以下の電圧パルスに応じた高抵抗状態に書き込む工程と、電圧振幅−5V以上、パルス幅1ms以下の電圧パルスに応じた低抵抗状態にリセットする工程と、を有することを特徴とする請求項9に記載のPCMO薄膜の形成方法。
- 前記高抵抗状態を書き込む工程は、前記抵抗状態を約300kΩ以上の範囲の高抵抗状態に変化させ、
前記低抵抗状態にリセットする工程は、前記抵抗状態を約5kΩ以下の範囲の低抵抗状態に変化させることを特徴とする請求項10に記載のPCMO薄膜の形成方法。 - 前記多結晶質状態の前記PCMO薄膜を形成する工程は、有機金属化学気相法(MOCVD)を用いて、約200nmの厚さの前記PCMO薄膜を堆積することを特徴とする請求項11に記載のPCMO薄膜の形成方法。
- メモリ抵抗特性に関連した結晶状態を有するPCMOデバイスであって、
下部電極と、前記下部電極を覆うPCMO薄膜と、前記PCMO薄膜を覆う上部電極と、を備え、
前記PCMO薄膜は、第1結晶状態を有し、前記第1結晶状態に応じたパルス極性を利用して切り替えられた抵抗状態を有することを特徴とするPCMOデバイス。 - 前記PCMO薄膜は、約30〜1000nmの厚さであることを特徴とする請求項13に記載のPCMOデバイス。
- 前記PCMO薄膜は、アモルファス状態または弱結晶質状態を含むグループから選択された第1結晶状態を有し、前記PCMO薄膜の前記抵抗状態は、ユニポーラパルスによって切り替えられることを特徴とする請求項13に記載のPCMOデバイス。
- 前記PCMO薄膜は、電圧振幅2〜10V、パルス幅10〜1000nsの電圧パルスに応じた高抵抗状態に書き込まれ、電圧振幅2〜5V、パルス幅1.5μs〜10msの電圧パルスに応じた低抵抗状態にリセットされることを特徴とする請求項15に記載のPCMOデバイス。
- 前記PCMO薄膜は、前記抵抗状態として、約60kΩ〜10MΩの範囲の高抵抗状態と、約0.5kΩ〜50kΩの範囲の低抵抗状態とを持つことを特徴とする請求項16に記載のPCMOデバイス。
- 前記第1結晶状態がアモルファス状態であり、前記アモルファス状態の前記PCMO薄膜は、電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスを用いた場合に約60kΩ以上の高抵抗状態となり、電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスを用いた場合に約50kΩ以下の低抵抗状態となることを特徴とする請求項16に記載のPCMOデバイス。
- 前記第1結晶状態が弱結晶質状態であり、前記弱結晶質状態の前記PCMO薄膜は、電圧振幅5V、パルス幅100nsの電圧パルスを用いた場合に約60kΩ以上の高抵抗状態となり、電圧振幅3V、パルス幅10μsの電圧パルスを用いた場合に約50kΩ以下の低抵抗状態となることを特徴とする請求項16に記載のPCMOデバイス。
- 前記弱結晶質状態の前記PCMO薄膜は、前記下部電極上に、PCMOからなる多結晶シード層を備え、前記多結晶シード層上に、PCMOからなるアモルファス層を備えることを特徴とする請求項19に記載のPCMOデバイス。
- 前記第1結晶状態が多結晶質状態であり、前記多結晶質状態の前記PCMO薄膜の抵抗状態は、バイポーラパルスに応じて切り替えられることを特徴とする請求項13に記載のPCMOデバイス。
- 前記多結晶質状態の前記PCMO薄膜は、電圧振幅5V以下、パルス幅1ms以下の電圧パルスに応じた高抵抗状態に書き込まれ、電圧振幅−5V以上、パルス幅1ms以下の電圧パルスに応じた低抵抗状態にリセットされることを特徴とする請求項21に記載のPCMOデバイス。
- 前記多結晶質状態の前記PCMO薄膜は、前記抵抗状態として、約300kΩ以上の範囲の高抵抗状態と、約5kΩ以下の範囲の低抵抗状態とを持つことを特徴とする請求項22に記載のPCMOデバイス。
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