JP2006319264A - Method for manufacturing memory element, and method for manufacturing storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、情報を記録することができる記憶素子の製造方法、及び記憶素子を用いた記憶装置の製造方法に係わる。 The present invention relates to a method for manufacturing a memory element capable of recording information, and a method for manufacturing a memory device using the memory element.
コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のDRAMが広く使用されている。 In information equipment such as a computer, a high-speed and high-density DRAM is widely used as a random access memory.
しかしながら、DRAMは、電子機器に用いられる一般的な論理回路LSIや信号処理と比較して製造プロセスが複雑であるため、製造コストが高くなっている。
また、DRAMは、電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであり、頻繁にリフレッシュ動作、即ち書き込んだ情報(データ)を読み出し、増幅し直して、再度書き込み直す動作を行う必要がある。
However, a DRAM has a higher manufacturing cost because a manufacturing process is more complicated than a general logic circuit LSI or signal processing used in an electronic device.
The DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, and it is necessary to frequently perform a refresh operation, that is, an operation of reading, amplifying, and rewriting the written information (data).
そこで、電源を切っても情報が消えない不揮発性のメモリとして、例えば、フラッシュメモリ、FeRAM(強誘電体メモリ)やMRAM(磁気記憶素子)等が提案されている。
これらのメモリの場合、電源を供給しなくても書き込んだ情報を長時間保持し続けることが可能になる。
また、これらのメモリの場合、不揮発性とすることにより、リフレッシュ動作を不要にして、その分消費電力を低減することができると考えられる。
従って、上述した各種の不揮発性のメモリについて、広く研究や商品開発が行われている。
Thus, for example, flash memories, FeRAMs (ferroelectric memories), MRAMs (magnetic storage elements), and the like have been proposed as nonvolatile memories whose information does not disappear even when the power is turned off.
In the case of these memories, it is possible to keep the written information for a long time without supplying power.
In addition, in the case of these memories, it is considered that by making them non-volatile, the refresh operation is unnecessary and the power consumption can be reduced accordingly.
Accordingly, extensive research and product development have been conducted on the various types of nonvolatile memories described above.
しかしながら、上述した各種の不揮発性のメモリは、それぞれ一長一短がある。
フラッシュメモリは、集積度が高いが、動作速度の点で不利である。
FeRAMは、高集積度化のための微細加工に限界あり、また作製プロセスにおいて問題がある。
MRAMは、消費電力の問題がある。
However, the various nonvolatile memories described above have advantages and disadvantages.
Flash memory has a high degree of integration, but is disadvantageous in terms of operation speed.
FeRAM is limited in microfabrication for high integration and has a problem in the manufacturing process.
MRAM has a problem of power consumption.
そこで、特にメモリ素子の微細加工の限界に対して有利な、新しいタイプの記憶素子が提案されている。
この記憶素子は、2つの電極の間に、ある金属を含むイオン導電体を挟んだ構造である。そして、2つの電極のいずれか一方にイオン導電体中に含まれる金属を含ませることによって、2つの電極間に電圧を印加した場合に、電極中に含まれる金属がイオン導電体中にイオンとして拡散することによって、イオン導電体の抵抗値或いはキャパシタンス等の電気特性が変化する。
この特性を利用してメモリデバイスを構成することが可能である(例えば特許文献1、非特許文献1参照)。
Therefore, a new type of storage element has been proposed that is particularly advantageous for the limit of microfabrication of the memory element.
This memory element has a structure in which an ionic conductor containing a certain metal is sandwiched between two electrodes. And by including the metal contained in the ionic conductor in one of the two electrodes, when a voltage is applied between the two electrodes, the metal contained in the electrode becomes an ion in the ionic conductor. By diffusing, electrical characteristics such as resistance value or capacitance of the ionic conductor change.
A memory device can be configured using this characteristic (see, for example,
具体的には、イオン導電体はカルコゲナイドと金属との固溶体よりなり、さらに具体的には、AsS,GeS,GeSeにAg,Cu,Znが固溶された材料からなり、2つの電極のいずれか一方の電極には、Ag,Cu,Znを含んでいる(上記特許文献1参照)。 Specifically, the ionic conductor is made of a solid solution of chalcogenide and metal, more specifically, a material in which Ag, Cu, Zn is dissolved in AsS, GeS, GeSe, and one of the two electrodes. One electrode contains Ag, Cu, and Zn (see Patent Document 1).
上述した記憶素子の構成では、記憶素子の抵抗値が遷移する際の閾値電圧及び閾値電圧のばらつきや、記憶素子の初期抵抗値や遷移した後の高抵抗状態の抵抗値等の抵抗値及びそのばらつきが、メモリ動作特性に対して大きな影響を持っている。 In the configuration of the memory element described above, the threshold voltage when the resistance value of the memory element transitions and the variation of the threshold voltage, the initial resistance value of the memory element, the resistance value such as the resistance value of the high resistance state after the transition, and the Variations have a significant effect on memory operating characteristics.
そして、上述した記憶素子の構成において、例えば、大規模なセルアレイをもつ大容量のメモリを作製する際には、誤記録を防ぐために、高抵抗状態から低抵抗状態へと遷移するいわゆる「書き込み」動作の閾値を、もしくは逆に低抵抗状態から高抵抗状態へと遷移するいわゆる「消去」動作の閾値を、一定範囲内に抑える必要がある。一定範囲内から外れると書き込み及び消去エラーを引き起こす。
これらの閾値が、同一の記憶素子でも書き込み・消去の繰り返しによってばらついたり、繰り返すごとに閾値電圧が変化したりする場合や、書き込みの閾値電圧が記憶素子毎に(即ちメモリのメモリセル毎)に異なる等、閾値にばらつきが存在していると、安定なメモリ動作が困難となる。
また、閾値電圧が高すぎる場合には、高速な動作が難しくなったり、メモリセルを選択する選択用のMOSトランジスタの電圧駆動範囲を超えてしまって、動作不能になったりする、等の問題点が存在する。
In the structure of the memory element described above, for example, when manufacturing a large-capacity memory having a large-scale cell array, so-called “writing” that transitions from a high-resistance state to a low-resistance state to prevent erroneous recording. The threshold value of the operation, or conversely, the threshold value of the so-called “erase” operation for transitioning from the low resistance state to the high resistance state needs to be kept within a certain range. If it is out of a certain range, writing and erasing errors are caused.
These threshold values vary even in the same memory element due to repeated writing / erasing, or the threshold voltage changes with each repetition, or the threshold voltage for writing is different for each memory element (that is, for each memory cell of the memory). If there are variations in threshold values, such as different values, stable memory operation becomes difficult.
In addition, when the threshold voltage is too high, high-speed operation becomes difficult, or the voltage drive range of the selection MOS transistor for selecting the memory cell is exceeded, and the operation becomes impossible. Exists.
上述した問題の解決のために、本発明においては、情報の記録及び読み出し及び書き込みにおける閾値電圧等の特性のばらつきを抑制して、適正な特性の記憶素子及び記憶装置を製造することを可能にする記憶素子の製造方法及び記憶装置の製造方法を提供するものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention makes it possible to manufacture a storage element and a storage device having appropriate characteristics by suppressing variation in characteristics such as threshold voltage in recording, reading, and writing of information. The present invention provides a method for manufacturing a memory element and a method for manufacturing a memory device.
本発明の記憶素子の製造方法は、第1の電極及び第2の電極の間に、記憶用薄膜が挟まれて構成され、この記憶用薄膜が希土類元素を含む酸化物層を有して成り、この記憶用薄膜内もしくは記憶用薄膜と接している層に、Ag,Cu,Znから選ばれる、いずれかの元素が含まれている記憶素子を製造する際に、希土類元素を含む酸化物層を、希土類元素の金属のターゲットを用いた、反応性スパッタ法により形成するものである。
また本発明の記憶装置の製造方法は、上記記憶素子と、第1の電極側に接続された配線と、第2の電極側に接続された配線とを有し、記憶素子が多数配置されて成る記憶装置を製造する際に、上記本発明の記憶素子の製造方法により記憶素子を作製するものである。
The method for manufacturing a memory element according to the present invention includes a memory thin film sandwiched between a first electrode and a second electrode, and the memory thin film includes an oxide layer containing a rare earth element. In manufacturing a memory element in which any element selected from Ag, Cu, Zn is contained in the memory thin film or a layer in contact with the memory thin film, an oxide layer containing a rare earth element Is formed by a reactive sputtering method using a rare earth metal target.
A method for manufacturing a memory device according to the present invention includes the memory element, a wiring connected to the first electrode side, and a wiring connected to the second electrode side, and a large number of memory elements are arranged. When manufacturing the memory device, the memory element is manufactured by the method for manufacturing the memory element of the present invention.
本発明の製造方法に係る記憶素子では、第1の電極及び第2の電極の間に、記憶用薄膜が挟まれて構成され、この記憶用薄膜が希土類元素を含む酸化物層を有して成り、この記憶用薄膜内もしくは記憶用薄膜と接している層に、Ag,Cu,Znから選ばれる、いずれかの元素が含まれている構成であることにより、記憶用薄膜の抵抗状態が変化することを利用して、情報を記録することが可能になる。 In the memory element according to the manufacturing method of the present invention, the memory thin film is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the memory thin film has an oxide layer containing a rare earth element. The resistance state of the memory thin film is changed by the configuration in which any element selected from Ag, Cu, and Zn is contained in the memory thin film or the layer in contact with the memory thin film. It is possible to record information by using this.
具体的には、例えば、一方の電極側に正電位を印加して記憶素子に電圧をかけると、Ag,Cu,Znがイオン化して記憶用薄膜内に拡散し、他方の電極側の部分で電子と結合して析出することにより、或いは、記憶用薄膜中に留まり絶縁膜の不純物準位を形成することによって、記憶用薄膜の抵抗値が低くなり、これにより情報の書き込みを行うことが可能になる。
また、この状態から、一方の電極側に負電位を印加して記憶素子に負電圧をかけると、他方の電極側に析出していたAg,Cu,Znが再びイオン化して、元の状態に戻ることによって記憶用薄膜の抵抗値が元の高い状態に戻り、記憶素子の抵抗値も高くなるので、これにより記録した情報の消去を行うことが可能になる。
Specifically, for example, when a positive potential is applied to one electrode side and a voltage is applied to the memory element, Ag, Cu and Zn are ionized and diffused into the memory thin film, and at the other electrode side part The resistance value of the memory thin film is lowered by being deposited in combination with electrons or by forming an impurity level in the insulating film that remains in the memory thin film, so that information can be written. become.
Further, from this state, when a negative potential is applied to one electrode side and a negative voltage is applied to the memory element, Ag, Cu, Zn deposited on the other electrode side is ionized again to return to the original state. By returning, the resistance value of the memory thin film returns to its original high state, and the resistance value of the memory element also increases, so that the recorded information can be erased.
そして、記憶用薄膜が希土類元素を含む酸化物層を有して成ることにより、高抵抗状態の抵抗値を比較的高くすることができる。また、希土類元素が熱的に安定であるため、非常に僅かな電流で、情報の記録を安定に行うことができる。 And since the memory thin film has an oxide layer containing a rare earth element, the resistance value in the high resistance state can be made relatively high. In addition, since rare earth elements are thermally stable, information can be recorded stably with a very small current.
上述の本発明の記憶素子の製造方法によれば、希土類元素を含む酸化物層を、希土類元素の金属のターゲットを用いた、反応性スパッタ法により形成することによって、希土類元素を含む酸化物層を、酸化状態をほぼ均一にして形成することができる。
これにより、記憶用薄膜の酸化物層の不均一性を低減することができる。
そして、本発明に係る記憶素子において、印加電圧によって励起されるイオン化挙動やイオンの動作によって、抵抗値が変化する際の閾値電圧は、酸化物層の厚さやその形成条件に大きく依存することから、記憶用薄膜の酸化物層の不均一性を低減することにより、記憶素子の書き込み及び消去における閾値電圧のばらつきを抑制することが可能になる。
これにより、書き込み及び消去の動作の繰り返し特性に優れた記憶素子を製造することができる。
According to the method for manufacturing a memory element of the present invention described above, an oxide layer containing a rare earth element is formed by a reactive sputtering method using a rare earth element metal target. Can be formed with a substantially uniform oxidation state.
Thereby, the nonuniformity of the oxide layer of the memory thin film can be reduced.
In the memory element according to the present invention, the threshold voltage when the resistance value changes due to the ionization behavior excited by the applied voltage and the operation of ions greatly depends on the thickness of the oxide layer and the formation conditions thereof. By reducing the non-uniformity of the oxide layer of the memory thin film, it is possible to suppress variations in threshold voltage during writing and erasing of the memory element.
As a result, a memory element having excellent repetitive characteristics of writing and erasing operations can be manufactured.
また、記憶素子からなるメモリセルを多数有する記憶装置において、各メモリセルの記憶素子における酸化物層の不均一性を低減させることにより、記録及び消去の閾値電圧のばらつきを抑制することが可能になる。 In addition, in a memory device having a large number of memory cells including memory elements, it is possible to suppress variations in threshold voltages for recording and erasing by reducing non-uniformity of the oxide layer in the memory elements of each memory cell. Become.
上述の本発明によれば、記憶用薄膜の酸化物層の不均一性を低減することにより、記憶素子への書き込み及び消去における閾値電圧のばらつきを抑制することが可能になることから、適正な特性の記憶素子及び記憶装置を安定して歩留まり良く製造することができる。
そして、閾値電圧のばらつきを抑制することが可能になることにより、情報の書き込み及び消去におけるエラーの発生を低減することが可能になるため、安定したメモリ動作が可能な記憶装置を実現することが可能になる。
また、書き込み及び消去の動作の繰り返し特性に優れた記憶素子を製造することができることから、情報保持の耐久性に優れ、高い信頼性を有する記憶装置を実現することができる。
According to the present invention described above, it is possible to suppress variations in threshold voltage in writing and erasing to the storage element by reducing non-uniformity of the oxide layer of the memory thin film. A memory element and a memory device having characteristics can be manufactured stably and with high yield.
In addition, since it becomes possible to reduce variations in threshold voltage, it is possible to reduce the occurrence of errors in writing and erasing information, so that a storage device capable of stable memory operation can be realized. It becomes possible.
In addition, since a memory element having excellent repetitive characteristics of writing and erasing operations can be manufactured, a memory device having excellent information retention durability and high reliability can be realized.
さらに、本発明に係る記憶素子は、通常のMOS論理回路の製造プロセスに用いられる材料や製造方法により、製造することが可能である。
従って、本発明により、適正な特性の記憶素子及び記憶装置を安いコストで製造することができ、安価な記憶装置を提供することが可能になる。
Furthermore, the memory element according to the present invention can be manufactured by materials and manufacturing methods used in a normal MOS logic circuit manufacturing process.
Therefore, according to the present invention, a storage element and a storage device having appropriate characteristics can be manufactured at a low cost, and an inexpensive storage device can be provided.
本発明の製造方法に係る記憶素子の一形態の概略構成図(断面図)を図1に示す。
この記憶素子10は、例えば、CMOS回路が形成されたシリコン基板(図2参照)上に、CMOS回路部分との接続部である下部電極1が形成されていて、この下部電極1上に記憶用薄膜2が形成され、この記憶用薄膜2上にAg,Cu,Znを含む層3が形成され、その上に上部電極4が形成されて構成されている。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of an embodiment of a memory element according to the manufacturing method of the present invention.
In the
下部電極1には、半導体プロセスに用いられる配線材料、例えばTiW,Ti,W,Cu,Al,Mo,Ta、シリサイド等を用いることができる。
また、Cu等の電界でイオン伝導が乗じる可能性のある電極材料を用いる場合には、Cu電極上にW,WN,TiN,TaN等のイオン伝導や熱拡散しにくい材料で被覆して用いてもよい。
For the
In addition, when using an electrode material such as Cu that can be multiplied by ion conduction in an electric field, the Cu electrode is coated with a material that is difficult to ionize or thermally diffuse such as W, WN, TiN, and TaN. Also good.
記憶用薄膜2には、希土類元素のうち、La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Yから選ばれる、1種類、もしくは、複数種類の希土類元素の酸化物からなる薄膜(以下希土類酸化物薄膜と示す)を用いる。
この希土類酸化物薄膜2は、通常絶縁材料であるため、例えば膜厚0.5nm〜3nmと薄くして、電流を流すことができるようにする。
希土類酸化物薄膜2における酸素の組成は、通常は希土類元素(RE)に対してRE2O3という組成を形成するが、ここでは、アモルファス膜であって、半導体領域の導電率以下の電気的性質を有していれば充分であるので、必ずしも、このような組成に限定されず、例えば、REOx(0.5<x≦1.5)でも構わない。
The memory
Since this rare earth oxide
The composition of oxygen in the rare earth oxide
また、希土類酸化物薄膜2には、例えば、Ge,Si,Te,S,Se,Sb,Ti,W,Cu,Ag,Zn,Fe,Co,P,N,H等の、希土類元素以外の元素が予め含有されていても構わない。
In addition, the rare earth oxide
上述した材料から成る希土類酸化物薄膜2は、電圧パルス或いは電流パルスが印加されることにより、インピーダンスが変化する特性を有する。
The rare earth oxide
また、希土類酸化物薄膜(記憶用薄膜)上の層3には、Ag,Cu,Znの少なくともいずれか、即ち後述するイオン源となる金属元素を含んで構成する。以下、層3をイオン源層3と呼ぶこととする。
イオン源層3は、例えば、Te,Se,Sのカルコゲナイド元素を含有する、GeSbTe,GeTe,GeSe,GeS,SiGeTe,SiGeSbTe等にAg,Cu,Znを加えた組成の膜、Ag膜、Ag合金膜、Cu膜、Cu合金膜、Zn膜、Zn合金膜等を用いて構成することができる。
このイオン源層3に、例えば、GeTeCu膜を用いた場合には、膜厚を例えば5nm〜50nmにすればよい。また、上記の組成の他に、希土類酸化物薄膜2に用いる希土類元素を含む組成、例えばCuGeTeGdとしてもよい。
The
The
For example, when a GeTeCu film is used for the
さらに、イオン層3を、図1に示すように、カルコゲナイド元素を含有する層3Aと必要なイオン源元素(Ag,Cu,Zn)を補填する層3Bとの積層構造にしてもよい。例えば、Ag,Cu,Znを補填する層3Bを設ける場合には、この層3Bの膜厚を例えば2nm〜30nmにすればよい。
Further, as shown in FIG. 1, the
上部電極4には、下部電極1と同様に、通常の半導体配線材料が用いられる。
As with the
本形態の記憶素子10は、次のように動作させて、情報の記憶を行うことができる。
The
まず、Ag,Cu,Znが含まれたイオン源層3に、例えば正電位(+電位)を印加して、下部電極1側が負になるように、記憶素子10に対して正電圧を印加する。これにより、イオン源層3からAg,Cu,Znがイオン化して、希土類酸化物薄膜2内を拡散していき、下部電極1側で電子と結合して析出する、或いは、希土類酸化物薄膜2内部に拡散した状態で留まる。
すると、希土類酸化物薄膜2内部にAg,Cu,Znを多量に含む電流パスが形成される、もしくは、希土類酸化物薄膜2内部にAg,Cu,Znによる欠陥が多数形成されることによって、希土類酸化物薄膜2の抵抗値が低くなる。希土類酸化物薄膜2以外の各層は、希土類酸化物薄膜2の記録前の抵抗値に比べて、元々抵抗値が低いので、希土類酸化物薄膜2の抵抗値を低くすることにより、記憶素子10全体の抵抗値も低くすることができる。
First, for example, a positive potential (+ potential) is applied to the
Then, a current path containing a large amount of Ag, Cu, Zn is formed inside the rare earth oxide
その後、正電圧を除去して、記憶素子10にかかる電圧をなくすと、抵抗値が低くなった状態で保持される。これにより、情報を記録することが可能になる。一度だけ記録が可能な記憶装置、いわゆる、PROMに用いる場合には、前記の記録過程のみで記録は完結する。
After that, when the positive voltage is removed and the voltage applied to the
一方、消去が可能な記憶装置、いわゆる、RAM或いはEEPROM等への応用には消去過程が必要であるが、消去過程においては、Ag,Cu,Znが含まれたイオン源層3に、例えば負電位(−電位)を印加して、下部電極1側が正になるように、記憶素子10に対して負電圧を印加する。これにより、希土類酸化物薄膜2内に形成されていた電流パス或いは不純物準位を構成するAg,Cu,Znがイオン化して、希土類酸化物薄膜2内を移動してイオン源層3側に戻る。
すると、希土類酸化物薄膜2内からAg,Cu,Znによる電流パス、もしくは、欠陥が消滅して希土類酸化物薄膜2の抵抗値が高くなる。希土類酸化物薄膜2以外の各層は元々抵抗値が低いので、希土類酸化物薄膜2の抵抗値を高くすることにより、記憶素子10全体の抵抗値も高くすることができる。
その後、負電圧を除去して、記憶素子10にかかる電圧をなくすと、抵抗値が高くなった状態で保持される。これにより、記録された情報を消去することが可能になる。
On the other hand, an erasing process is necessary for application to an erasable storage device, so-called RAM or EEPROM, etc., but in the erasing process, the
Then, the current path or defect due to Ag, Cu, Zn disappears from within the rare earth oxide
After that, when the negative voltage is removed and the voltage applied to the
このような過程を繰り返すことにより、記憶素子10に情報の記録(書き込み)と記録された情報の消去を繰り返し行うことができる。
By repeating such a process, it is possible to repeatedly record (write) information on the
そして、例えば、抵抗値の高い状態を「0」の情報に、抵抗値の低い状態を「1」の情報に、それぞれ対応させると、正電圧の印加による情報の記録過程で「0」から「1」に変え、負電圧の印加による情報の消去過程で「1」から「0」に変えることができる。 For example, if a state with a high resistance value is associated with information “0” and a state with a low resistance value is associated with information “1”, the information recording process by applying a positive voltage changes from “0” to “ It can be changed from “1” to “0” in the process of erasing information by applying a negative voltage.
なお、希土類酸化物薄膜2は、記録前の初期状態及び消去後の状態において、高い抵抗値を示す材料がよい。
The rare earth oxide
記録後の抵抗値は、記憶素子10のセルサイズ及び希土類酸化物薄膜2の材料組成よりも、記録時に印加される電圧パルス或いは電流パルスの幅や電流量等の記録条件に依存し、初期抵抗値が100kΩ以上の場合には、およそ50Ω〜50kΩの範囲となる。
記録データを復調するためには、初期の抵抗値と記録後の抵抗値との比が、およそ、2倍以上であれば充分であるので、記録前の抵抗値が100Ωで、記録後の抵抗値が50Ω、或いは、記録前の抵抗値が100kΩ、記録後の抵抗値が50kΩといった状況であれば充分であり、希土類酸化物薄膜2の初期の抵抗値はそのような条件を満たすように設定される。希土類酸化物薄膜2の抵抗値は、例えば、酸素濃度、膜厚、面積、さらには、不純物材料の添加によって調整することが可能である。
The resistance value after recording depends on the recording conditions such as the voltage pulse or current pulse width and current amount applied during recording, rather than the cell size of the
In order to demodulate the recording data, it is sufficient that the ratio of the initial resistance value to the resistance value after recording is approximately twice or more. Therefore, the resistance value before recording is 100Ω, and the resistance after recording is It is sufficient if the value is 50Ω, or the resistance value before recording is 100 kΩ and the resistance value after recording is 50 kΩ, and the initial resistance value of the rare earth oxide
上述の形態の記憶素子10の構成によれば、下部電極1と上部電極6との間に、希土類元素を含む酸化物より成る希土類酸化物薄膜2と、Ag,Cu,Znを含むイオン源層3とが挟まれた構成とすることにより、例えば、Ag,Cu,Znを含むイオン源層3側に正電圧(+電位)を印加して、下部電極1側が負になるようにした場合に、希土類酸化物薄膜2内に、Ag,Cu,Znを多量に含む電流パスが形成されて、或いは希土類酸化物薄膜2内に、Ag,Cu,Znによる欠陥が多数形成されることによって、希土類酸化物薄膜2の抵抗値が低くなり、記憶素子10全体の抵抗値が低くなる。そして、正電圧の印加を停止して、記憶素子10に電圧が印加されないようにすることで、抵抗値が低くなった状態が保持され、情報を記録することが可能になる。このような構成は、例えばPROM等の一度だけ記録が可能な記憶装置に用いることができる。
According to the configuration of the
そして、記憶素子10の抵抗値の変化、特に希土類酸化物薄膜2の抵抗値の変化を利用して情報の記憶を行っているため、記憶素子10を微細化していった場合にも、情報の記録や記録した情報の保存が容易になる。
Since information is stored by utilizing the change in resistance value of the
また、例えば、RAMやEEPROM等の記録に加えて消去が可能な記憶装置に用いるような場合は、上述した記録後の状態の記憶素子10に対して、例えば、Ag,Cu,Znを含むイオン源層3に負電圧(−電位)を印加して、下部電極1側が正になるようにする。これにより、希土類酸化物薄膜2内に形成されていた、Ag,Cu,Znによる電流パス、或いは欠陥が消滅して、希土類酸化物薄膜2の抵抗値が高くなり、記憶素子10全体の抵抗値が高くなる。そして、負電圧の印加を停止して、記憶素子10に電圧が印加されないようにすることで、抵抗値が高くなった状態が保持され、記録されていた情報を消去することが可能になる。
Further, for example, when used in a storage device that can be erased in addition to recording such as RAM or EEPROM, the
さらに、本形態の記憶素子10によれば、下部電極1、希土類酸化物薄膜2、イオン源層3、上部電極4を、いずれもスパッタリングが可能な材料で構成することが可能である。例えば、各層の材料に適応した組成からなるターゲットを用いて、スパッタリングを行えばよい。
また、同一のスパッタリング装置内で、ターゲットを交換することにより、連続して成膜することも可能である。
Furthermore, according to the
In addition, it is possible to continuously form a film by exchanging the target in the same sputtering apparatus.
なお、上述した形態の記憶素子10では、イオン源層3(3A,3B)にAg,Cu,Znを含み、上部電極4には含まない構成としたが、その他の構成も可能である。
図1のイオン源層3(3A,3B)のうち、カルコゲナイド元素を含有する層3Aを、Te,Se,Sのカルコゲナイド元素を含有するが、Ag,Cu,Znのイオン源元素は含有しない構成、例えば、GeSbTe,GeTe,GeSe,GeS,SiGeTe,SiGeSbTe等の材料とした構成も可能である。
また、希土類酸化物薄膜2とイオン源層3との積層順序を逆にして、下部電極1上にAg,Cu,Znを含むイオン源層3を形成し、その上に希土類酸化物薄膜2を形成し、さらにその上に上部電極4を形成する構成も可能である。
さらにまた、下部電極1のみにイオン源のAg,Cu,Znを含む構成や、下部電極1及び上部電極4にイオン源のAg,Cu,Znを含む構成としても良い。また、上部電極として、イオン源層3をそのまま用いることも可能である。
In the
In the ion source layer 3 (3A, 3B) of FIG. 1, the
Further, the order of lamination of the rare earth oxide
Furthermore, a configuration in which only the
上述した形態の記憶素子10を、多数マトリクス状に配置することにより、記憶装置(メモリ装置)を構成することができる。
各記憶素子10に対して、その下部電極1側に接続された配線と、その上部電極4側に接続された配線とを設け、例えばこれらの配線の交差点付近に各記憶素子10が配置されるようにすればよい。即ちビット線(BL)及びワード線(WL)とを設け、これらの配線の交差点付近に各記憶素子が配置されるようにすればよい。
A memory device (memory device) can be configured by arranging a large number of the
For each
具体的には、例えば下部電極1を行方向のメモリセルに共通して形成し、上部電極4に接続された配線を列方向のメモリセルに共通して形成して記憶装置を構成することが考えられる。
そして、電位を印加して電流を流す下部電極1と配線とを選択することにより、記録を行うべきメモリセルを選択して、このメモリセルの記憶素子10に電流を流して、情報の記録や記録した情報の消去を行うことができる。
Specifically, for example, the
Then, by selecting the
また、例えば上部電極4に接続された配線をメモリセルアレイ全体に共通して形成して記憶装置を構成することが考えられる。
この構成としたメモリセルアレイの一形態の概略構成図を、図2及び図3に示す。図2は断面図であり、図3は平面図である。
Further, for example, it is conceivable to form a memory device by forming wirings connected to the
FIG. 2 and FIG. 3 show schematic configuration diagrams of an embodiment of the memory cell array configured as described above. 2 is a cross-sectional view, and FIG. 3 is a plan view.
図2及び図3に示すように、このメモリセルアレイでは、メモリセル全体にわたって、各メモリセルを構成する記憶素子10が、記憶用薄膜2・イオン源層3・上部電極4の各層を共有している。言い換えれば、各記憶素子10が、それぞれ同一層の記憶用薄膜2・イオン源層3・上部電極4により構成されている。
As shown in FIG. 2 and FIG. 3, in this memory cell array, the
そして、共通に形成された上部電極4は、プレート電極PLとなるものである。
一方、下部電極1は、メモリセル毎に個別に形成されており、各メモリセルが電気的に分離されている。このメモリセル毎に個別に形成された下部電極1によって、各下部電極1に対応した位置に、各メモリセルの記憶素子10が規定される。
また、下部電極1は、各々対応する選択用のMOSトランジスタTrに接続されている。
The
On the other hand, the
The
図2に示すように、メモリセルアレイの各メモリセルを構成するそれぞれの記憶素子10は、半導体基板11に形成されたMOSトランジスタTrの上方に形成されている。
このMOSトランジスタTrは、半導体基板11内の素子分離層12により分離された領域に形成されたソース/ドレイン領域13と、ゲート電極14とから成る。ゲート電極14の壁面には、サイドウォール絶縁層が形成されている。
また、ゲート電極14は、記憶素子の一方のアドレス配線であるワード線WLを兼ねている。
そして、MOSトランジスタTrのソース/ドレイン領域13の一方と、記憶素子10の下部電極1とが、プラグ層15・金属配線層16・プラグ層17を介して、電気的に接続されている。
MOSトランジスタTrのソース/ドレイン領域13の他方は、プラグ層15を介して金属配線層16に接続されている。この金属配線層16は、記憶素子の他方のアドレス配線であるビット線BL(図3参照)に接続される。
As shown in FIG. 2, each
The MOS transistor Tr includes a source /
The
One of the source /
The other of the source /
また、図3においては、MOSトランジスタTrのアクティブ領域18を鎖線で示している。また、図3中21は、記憶素子10の下部電極1に通じるコンタクト部を示し、22は、ビット線BLに通じるコンタクト部を示している。
In FIG. 3, the
図2及び図3に示すメモリセルアレイは、例えば次のように動作させることができる。
ワード線WLにより選択用のMOSトランジスタTrのゲートをオン状態として、ビット線BLに電圧を印加すると、MOSトランジスタTrのソース/ドレインを介して、選択されたメモリセルの下部電極1に電圧が印加される。
The memory cell array shown in FIGS. 2 and 3 can be operated as follows, for example.
When the gate of the selection MOS transistor Tr is turned on by the word line WL and a voltage is applied to the bit line BL, the voltage is applied to the
ここで、下部電極1に印加された電圧の極性が、上部電極4(プレート電極PL)の電位に比して負電位である場合には、記憶素子10の抵抗値が低抵抗状態へと遷移する。これにより、選択されたメモリセルの記憶素子10に情報を記録することができる。
また、下部電極1に、上部電極4(プレート電極PL)の電位に比して正電位である場電圧を印加することにより、記憶素子10の抵抗値が再び高抵抗状態へと遷移する。これにより、選択されたメモリセルの記憶素子10に対して、記録された情報を消去することができる。
Here, when the polarity of the voltage applied to the
Further, by applying a field voltage, which is a positive potential compared to the potential of the upper electrode 4 (plate electrode PL), to the
また、記録された情報の読み出しを行うには、例えば、MOSトランジスタTrによりメモリセルを選択して、選択したメモリセルに対して、所定の電圧或いは電流を印加し、記憶素子10の抵抗状態により異なる電流或いは電圧を、ビット線BL或いはプレート電極PLの先に接続されたセンスアンプ等を介して検出する。
このとき、選択したメモリセルに対して印加する電圧或いは電流は、記憶素子10の抵抗値の状態が遷移する電圧或いは電流の閾値よりも小さくする。
In order to read out recorded information, for example, a memory cell is selected by the MOS transistor Tr, a predetermined voltage or current is applied to the selected memory cell, and the resistance state of the
At this time, the voltage or current applied to the selected memory cell is set to be smaller than the threshold voltage or current at which the resistance value of the
そして、上述した形態の記憶素子10は、容易に情報の記録及び情報の読み出しを行うことができ、特に、書き込み及び消去電圧閾値のばらつきが少ないという優れた特性を有する。
また、上述した形態の記憶素子10は、微細化していった場合においても、情報の記録や記録した情報の保持が容易になる。
従って、上述した形態の記憶素子10を用いて記憶装置を構成することにより、記憶装置の集積化(高密度化)や小型化を図ることができる。
The
Further, even when the
Therefore, by configuring the memory device using the
続いて、本発明の記憶素子の製造方法及び本発明の記憶装置の製造方法の一実施の形態として、図1〜図3に示した記憶素子10及びメモリセルアレイを製造する方法を説明する。
Subsequently, a method for manufacturing the
選択トランジスタTr等のCMOS回路が形成された半導体基板11の上方に、プラグ層15・金属配線層16・プラグ層17を介して、例えばW膜から成る下部電極1を形成する。また、金属配線層16によりビット線BLを形成する。
The
次に、必要であれば逆スパッタ法等により、下部電極1の表面上の酸化物等を除去した後に、希土類酸化物薄膜2、例えばGd2O3膜を形成する。
Next, if necessary, after removing oxides and the like on the surface of the
次に、カルコゲナイド元素を含有する層3A、例えばCuGeTeGd膜をDCマグネトロンスパッタリングで形成した後に、イオン源を補填する層3B、例えばCu膜を形成し、これらの積層膜によりイオン源層3を形成する。
次に、上部電極4として、例えばW膜を成膜する。
Next, after a
Next, for example, a W film is formed as the
次に、上部電極4、イオン源層3、希土類酸化物薄膜2を、例えばプラズマエッチング等により、メモリセルアレイ部分に残るようにパターニングする。プラズマエッチングの他には、イオンミリング、RIE(反応性イオンエッチング)等のエッチング方法を用いて、パターニングを行うことができる。
必要に応じて、さらに上部電極4(プレート電極PL)に、共通電位を供給するための配線を接続して形成する。
このようにして、図1〜図3に示したメモリセルアレイを製造することができる。
Next, the
If necessary, a wiring for supplying a common potential is further connected to the upper electrode 4 (plate electrode PL).
In this manner, the memory cell array shown in FIGS. 1 to 3 can be manufactured.
本実施の形態においては、特に、記憶用薄膜を構成する希土類酸化物薄膜2を、金属ターゲットを用いて、スパッタリング中に導入ガスとしてアルゴン等の不活性ガスと共に酸素等を導入する方法、即ちいわゆる反応性スパッタ法(反応性スパッタリング)を用いて形成する。
この際に使用する不活性ガスとしては、アルゴン、クリプトン、キセノンのうち、いずれか1つのガス又は2つ以上の混合ガスを用いることができる。
また、不活性ガスと共に用いるガスとしては、酸素が主に含まれていればよく、そのほかに窒素やフッ素、塩素、臭素等のハロゲンガスや、それらを含んだ有機物のガスを用いることができる。
In the present embodiment, in particular, a method of introducing oxygen or the like into the rare earth oxide
As the inert gas used at this time, any one gas or a mixture of two or more of argon, krypton, and xenon can be used.
Further, as the gas used together with the inert gas, it is sufficient if oxygen is mainly contained, and in addition to this, halogen gas such as nitrogen, fluorine, chlorine, bromine, and organic gas containing them can be used.
そして、希土類酸化物薄膜としてGd酸化物薄膜を形成する場合には、例えば、金属ターゲットしてGdターゲットを用いて、導入ガスとして不活性ガスであるアルゴンと酸素とを用いて、Gd酸化物薄膜を形成する。
この場合の反応性スパッタ法の具体的な条件としては、例えば、アルゴンと酸素の流量比を3:1とし、チャンバー圧力を3mTorrとすればよい。
When a Gd oxide thin film is formed as the rare earth oxide thin film, for example, a Gd target is used as a metal target, and argon and oxygen as inert gases are used as an introduction gas, and the Gd oxide thin film is used. Form.
As specific conditions of the reactive sputtering method in this case, for example, the flow rate ratio of argon and oxygen may be 3: 1, and the chamber pressure may be 3 mTorr.
さらに、導入ガスの混合比(流量比)は、不活性ガスが半分以上であることが望ましい。
これは、不活性ガスと酸素等のガスとの混合比によって、希土類酸化物薄膜の酸素組成を制御することができ、酸素ガスの混合比を下げることで酸素組成の少ない希土類酸化膜を形成することができるからである。
また、窒素ガス等を混合することで、その絶縁特性を変化させることができる。
即ち、ある程度の厚みを有し、抵抗値の小さい希土類酸化物薄膜を形成するためには、酸素ガスの流量比を低減することや、窒素ガス等をさらに混合して調整すればよい。
Further, the mixing ratio (flow rate ratio) of the introduced gas is desirably half or more of the inert gas.
This is because the oxygen composition of the rare earth oxide thin film can be controlled by the mixing ratio of an inert gas and a gas such as oxygen, and a rare earth oxide film having a low oxygen composition is formed by lowering the mixing ratio of the oxygen gas. Because it can.
Moreover, the insulating characteristics can be changed by mixing nitrogen gas or the like.
That is, in order to form a rare earth oxide thin film having a certain thickness and a small resistance value, the flow rate ratio of oxygen gas may be reduced, or nitrogen gas or the like may be further mixed and adjusted.
上述の本実施の形態の製造方法によれば、記憶用薄膜を構成する希土類酸化物薄膜2を、金属ターゲットを用いて、スパッタリング中に導入ガスとしてアルゴン等の不活性ガスと共に酸素等を導入する方法、即ちいわゆる反応性スパッタ法(反応性スパッタリング)を用いて形成して、記憶素子10及びメモリセルアレイの製造を行うことにより、希土類酸化物薄膜2を、ほぼ均一な酸化状態で形成することができる。
これにより、記憶用薄膜の希土類酸化物薄膜2の不均一性を低減することができる。
According to the manufacturing method of the above-described embodiment, oxygen or the like is introduced into the rare earth oxide
Thereby, the nonuniformity of the rare earth oxide
そして、本実施の形態に係る記憶素子10において、印加電圧によって励起されるイオン化挙動やイオンの動作によって、抵抗値が変化する際の閾値電圧は、希土類酸化物薄膜2の厚さや酸化状態に大きく依存することから、希土類酸化物薄膜2の不均一性を低減することにより、記憶素子10の書き込み及び消去における閾値電圧のばらつきを抑制することが可能になる。
これにより、書き込み及び消去の繰り返し特性に優れた記憶素子10を製造することが可能になることから、情報保持の耐久性に優れ、高い信頼性を有する記憶装置を実現することが可能になる。
In the
This makes it possible to manufacture the
また、本実施の形態に係る記憶素子10は、通常のMOS論理回路の製造プロセスに用いられる材料や製造方法により、製造することが可能である。
従って、本実施の形態の製造方法により、適正な特性の記憶素子及び記憶装置を安いコストで製造することができ、安価な記憶装置を提供することが可能になる。
Further, the
Therefore, with the manufacturing method of this embodiment, a storage element and a storage device with appropriate characteristics can be manufactured at low cost, and an inexpensive storage device can be provided.
従って、記憶素子10の書き込み及び消去における閾値電圧のばらつきを抑制することが可能になることにより、適正な特性の記憶素子10及び記憶装置を安定して歩留まり良く製造することができる。
Accordingly, it becomes possible to suppress variation in threshold voltage in writing and erasing of the
(実施例)
次に、上述した形態の記憶素子10及びメモリセルアレイを実際に作製して、特性を調べた。
(Example)
Next, the
<試料1>
まず、図2及び図3に示すように、半導体基板11にMOSトランジスタTrを形成した。
その後、表面を覆って絶縁層を形成した。
次に、この絶縁層にビアホールを形成した。
続いて、CVD法により、ビアホールの内部を、W(タングステン)から成る電極材で充填した。
次に、表面をCMP法により平坦化した。
そして、これらの工程を繰り返すことにより、プラグ層15・金属配線層16・プラグ層17・下部電極1を形成して、さらに下部電極1をメモリセル毎にパターニングした。
<
First, as shown in FIGS. 2 and 3, a MOS transistor Tr was formed on the semiconductor substrate 11.
Thereafter, an insulating layer was formed covering the surface.
Next, a via hole was formed in this insulating layer.
Subsequently, the inside of the via hole was filled with an electrode material made of W (tungsten) by CVD.
Next, the surface was planarized by CMP.
Then, by repeating these steps, the
次に、MOSトランジスタTrを含むCMOS回路が形成された半導体基板11に形成された下部電極1、つまりタングステンプラグ(Wプラグ)の上面の酸化物を除去するために、RF電源を用いた逆スパッタによって、5nmエッチングした。
なお、このとき、下部電極1の表面は、理想的には、周囲の絶縁層と同一の高さに形成されて、平坦化されていることが望ましい。
Next, in order to remove the
At this time, it is desirable that the surface of the
次いで、DCマグネトロンスパッタ装置を使用して、反応性スパッタ法により、下部電極1上に、記憶用薄膜を構成する希土類酸化物薄膜2として、膜厚1nmのGd酸化層を形成した。
反応性スパッタ法の具体的な条件は、Gdターゲットを用いて、チャンバー内圧力を3mTorrとし、酸素とアルゴンとの混合比を1:3とした。
Then, a Gd oxide layer having a thickness of 1 nm was formed on the
The specific conditions for the reactive sputtering method were a Gd target, a chamber internal pressure of 3 mTorr, and a mixing ratio of oxygen and argon of 1: 3.
次に、カルコゲナイド元素を含有する層3Aとして、CuGeTeGd膜を20nm堆積し、その後にイオン源を補填する層3Bとして、Cu膜を12nm堆積した。これらの層3A,3Bの積層膜により、イオン源層3を形成した。
さらに、イオン源層3上に、上部電極4としてW膜を形成した。
このようにして、図1に示した記憶素子10を構成する積層膜を形成した。
Next, a CuGeTeGd film having a thickness of 20 nm was deposited as a
Further, a W film was formed as the
In this way, a laminated film constituting the
続いて、真空熱処理炉で265℃・4時間の熱処理を行った。
その後、全面的に形成された希土類酸化物薄膜2・イオン源層3・上部電極4を、メモリセルアレイの部分(メモリ部)全体にわたって残るようにパターニングした。
Subsequently, heat treatment was performed at 265 ° C. for 4 hours in a vacuum heat treatment furnace.
Thereafter, the rare earth oxide
さらに、中間電位(Vdd/2)を与える外部回路に接続するコンタクト部分が露出するように、上部電極4の表面に対してエッチングを行った。
このようにして、図1〜図3に示した記憶素子10から成るメモリセルアレイを作製して、試料1とした。
Further, etching was performed on the surface of the
In this manner, a memory cell array including the
<試料2・試料3>
反応性スパッタ法により、下部電極1上に記憶用薄膜を構成する希土類酸化物薄膜2を形成する際の、チャンバー内圧力を5mTorrとして、酸素とアルゴンとの混合比を1:5として、その他は試料1と同様にして、メモリセルアレイの試料を作製し、試料2とした。
また、反応性スパッタ法により、下部電極1上に記憶用薄膜を構成する希土類酸化物薄膜2を形成する際の、チャンバー内圧力を5mTorrとして、酸素とアルゴンとの混合比を1:10として、その他は試料1と同様にして、メモリセルアレイの試料を作製し、試料3とした。
<
When the rare earth oxide
Further, when the rare earth oxide
(比較例)
<試料4>
下部電極1の表面を、5nm程度逆スパッタリングによってエッチングした後に、Gd金属層を膜厚0.8nmで形成した。
その後に、酸素プラズマに晒してGd金属層を酸化することにより、Gd酸化層を形成した。その他は試料1と同様にして、メモリセルアレイの試料を作成し、試料4とした。
(Comparative example)
<
After etching the surface of the
Thereafter, the Gd oxide layer was formed by oxidizing the Gd metal layer by exposure to oxygen plasma. Others were made in the same manner as
(特性評価)
例えば、試料1の記憶素子10に対して、上部電極4に接続された上部配線をVdd/2の中間電位に接地し、選択するメモリセルのゲート電極即ちワード線WLに2.5Vを印加してON状態にし、トランジスタTrのソース/ドレイン13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、即ちビット線BLに、0V〜+1.25V、+1.25V〜−1.0V、−1.0V〜0Vの電圧を印加して挿引し、これらのサイクルを合計4回繰り返した。
(Characteristic evaluation)
For example, with respect to the
このようにして得られた試料1のメモリ素子のI−V特性を図4に示す。
また、I−V特性からV−Rループを算出した。算出したV−Rループを図5に示す。 図4及び図5において、破線は1回目のループを示していて、実線は2回目以降のループを示している。
FIG. 4 shows IV characteristics of the memory element of
Further, the VR loop was calculated from the IV characteristics. The calculated VR loop is shown in FIG. 4 and 5, the broken line indicates the first loop, and the solid line indicates the second and subsequent loops.
図4と図5より、素子作製直後の初期は抵抗値が高く、記憶素子がOFF状態であり、ビット線に電圧を印加して、素子の下部電極の電圧が上部電極に対して負に増加することにより(図中では正の方向)、0.7〜1.4Vの閾値電圧(Vth)以上のところで急激に電流が増加する。即ち記憶素子では抵抗値が低くなりON状態へと遷移することがわかる。これにより、情報が記録される。
一方、その後、電圧を減少させても、一定の抵抗値を保ったままであり、即ち記憶素子ではON状態が保たれ、記録された情報が保持される。また、その後の3回の記録消去を行っても同様の動作が行われている。
4 and 5, the initial resistance immediately after device fabrication is high in resistance value, the memory device is in the OFF state, voltage is applied to the bit line, and the voltage at the lower electrode of the device increases negatively with respect to the upper electrode. By doing this (in the positive direction in the figure), the current abruptly increases above the threshold voltage (Vth) of 0.7 to 1.4V. That is, it can be seen that the resistance value of the memory element is lowered and the memory element shifts to the ON state. Thereby, information is recorded.
On the other hand, even if the voltage is decreased thereafter, the constant resistance value is maintained, that is, the storage element is kept in the ON state, and the recorded information is retained. Further, the same operation is performed even if the subsequent three record erasures are performed.
また、同図に示されるように、逆極性の電圧V、即ち下部電極に正電位(+電位)を印加すると、V=−0.6V以上の正電位を印加した後に、再び0Vに戻すことにより、記憶素子では抵抗値が初期のOFF状態の高抵抗の状態に戻ることが確認された。即ち記憶素子に記録した情報を、負電圧の印加により消去できることがわかる。 Also, as shown in the figure, when a reverse polarity voltage V, that is, a positive potential (+ potential) is applied to the lower electrode, a positive potential of V = −0.6 V or more is applied, and then it is returned to 0 V again. Thus, it was confirmed that the resistance value of the memory element returned to the high resistance state in the initial OFF state. That is, it can be seen that the information recorded in the memory element can be erased by applying a negative voltage.
次に、試料1〜試料4の各試料について、同様な測定を、同一基板上に形成した24素子について行った。
例として、試料1の24素子のV−R測定の結果を重ねあわせて、図6に示す。
Next, for each of
As an example, the results of VR measurement of 24 elements of
次に、4回目のループから、書き込み電圧の閾値と消去電圧の閾値とを求めて、それぞれの電圧の閾値のばらつきを求めた。
計算方法は、24素子の電圧の閾値の標準偏差を求めて、それを電圧の閾値の平均値で割って得られた値(%)をばらつき値とした。
試料1〜試料4の電圧の閾値のばらつきの測定結果を、表1に示す。
Next, from the fourth loop, the threshold value of the writing voltage and the threshold value of the erasing voltage were obtained, and the variation of the threshold value of each voltage was obtained.
In the calculation method, the standard deviation of the voltage threshold value of 24 elements was obtained, and the value (%) obtained by dividing the standard deviation value by the average value of the voltage threshold value was used as the variation value.
Table 1 shows the measurement results of the voltage threshold variation of
次に、初回と4回目のそれぞれのV−Rループから書き込み前の抵抗値と書き込み後の抵抗値とを求めて、それぞれの抵抗値のばらつきを求めた。
計算方法は、24素子の抵抗値の標準偏差を求めて、それを抵抗値の平均で割って得られた値(%)をばらつき値とした。
試料1〜試料4の抵抗値のばらつきの測定結果を、表2に示す。
Next, the resistance value before writing and the resistance value after writing were obtained from the first and fourth VR loops, and the variation of the respective resistance values was obtained.
As a calculation method, a standard deviation of resistance values of 24 elements was obtained, and a value (%) obtained by dividing the standard deviation by the average of the resistance values was used as a variation value.
Table 2 shows measurement results of variations in resistance values of
表1より、本発明の実施例である試料1〜試料3において、消去動作の閾値電圧のばらつきに注目すると、20%〜25%程度である。
しかし、Gd酸化物層をプラズマ酸化によって形成した比較例の試料4においては、ばらつきが37.6%となっており、実施例の各試料と比較して大きくなっている。
From Table 1, in
However, in the
また、表2より、4回目の書き込み時及び消去動作時の抵抗値のばらつきに着目すると、比較例の試料4においては、特に消去動作時の抵抗値のばらつきが35.6%と大きくなっている。
一方、本発明の実施例である試料1〜試料3については、いずれも、3%以下と小さくなっている。
Further, from Table 2, focusing on the resistance value variation at the time of the fourth writing and erasing operation, the resistance value variation at the time of the erasing operation is particularly large at 35.6% in the
On the other hand, all of
従って、本発明の実施例のように、リアクティブスパッタにより希土類酸化物薄膜2を形成した試料では、繰り返し記録消去後の動作閾値電圧のばらつきや抵抗値のばらつきを低減できることがわかる。つまり、繰り返して書き込み/消去動作を行った場合のばらつき特性が優れている。
Therefore, it can be seen that in the sample in which the rare earth oxide
この原因は必ずしも明らかではないが、以下のことが推測される。
希土類金属膜をプラズマ酸化した場合には、酸化過程において、希土類金属膜の結晶粒界が優先的に酸化されることにより、酸化状態が不均一な酸化物層が形成されるため、書き込みと消去過程において、イオン伝導が不均一に生じる。
反応性スパッタ法により希土類酸化物薄膜を形成した場合には、酸化物層の深さ方向又は面内方向での酸素濃度勾配が生じにくいので、Cuのイオン伝導が均一に生じるためであると考えられる。
Although the cause is not necessarily clear, the following is presumed.
When the rare earth metal film is plasma oxidized, the crystal grain boundaries of the rare earth metal film are preferentially oxidized during the oxidation process, so that an oxide layer with a non-uniform oxidation state is formed. In the process, ionic conduction occurs non-uniformly.
This is probably because when the rare earth oxide thin film is formed by reactive sputtering, the oxygen concentration gradient in the depth direction or in-plane direction of the oxide layer is difficult to occur, so that Cu ion conduction occurs uniformly. It is done.
前述した実施の形態等に示したような、本発明に係る記憶素子を用いて、記憶素子を多数、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(メモリ装置)を構成することができる。
このとき、各記憶素子に、必要に応じて、素子の選択用の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する。
さらに、配線を介して、センスアンプ、アドレスレコーダー、記録・消去・読み出し回路等に接続する。
A memory device (memory device) can be configured by arranging a large number of memory elements, for example, in a column shape or a matrix shape, using the memory element according to the present invention as shown in the above-described embodiments and the like. it can.
At this time, a memory cell is configured by connecting a MOS transistor or a diode for selecting the element to each memory element as necessary.
Further, it is connected to a sense amplifier, an address recorder, a recording / erasing / reading circuit, etc. via wiring.
本発明に係る記憶素子は、各種のメモリ装置に適用することができる。例えば、一度だけ書き込みが可能な、いわゆるPROM(プログラマブルROM)、電気的に消去が可能なEEPROM(Electrically Erasable ROM)、或いは、高速に記録・消去・再生が可能な、いわゆるRAM(ランダム・アクセス・メモリ)等、いずれのメモリ形態でも適用することが可能である。 The memory element according to the present invention can be applied to various memory devices. For example, a so-called PROM (programmable ROM) that can be written only once, an electrically erasable EEPROM (electrically erasable ROM), or a so-called RAM (random access memory) that can be recorded / erased / reproduced at high speed. Any memory form such as (memory) can be applied.
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
1 下部電極、2 記憶用薄膜(希土類酸化物薄膜)、3 イオン源層、4 上部電極、10 記憶素子、Tr MOSトランジスタ、BL ビット線、WL ワード線、PL プレート電極 1 Lower electrode, 2 memory thin film (rare earth oxide thin film), 3 ion source layer, 4 upper electrode, 10 memory element, Tr MOS transistor, BL bit line, WL word line, PL plate electrode
Claims (4)
前記記憶用薄膜が、希土類元素を含む酸化物層を有して成り、
前記記憶用薄膜内、もしくは、前記記憶用薄膜と接している層に、Ag,Cu,Znから選ばれる、いずれかの元素が含まれている記憶素子を製造する方法であって、
前記希土類元素を含む酸化物層を、前記希土類元素の金属のターゲットを用いた、反応性スパッタ法により形成する
ことを特徴とする記憶素子の製造方法。 A memory thin film is sandwiched between the first electrode and the second electrode,
The memory thin film has an oxide layer containing a rare earth element,
A method of manufacturing a memory element in which any element selected from Ag, Cu, Zn is contained in the memory thin film or in a layer in contact with the memory thin film,
The method for manufacturing a memory element, wherein the oxide layer containing the rare earth element is formed by a reactive sputtering method using the metal target of the rare earth element.
前記第1の電極側に接続された配線と、
前記第2の電極側に接続された配線とを有し、
前記記憶素子が多数配置されて成る記憶装置を製造する方法であって、
前記記憶素子の前記希土類元素を含む酸化物層を、前記希土類元素の金属のターゲットを用いた、反応性スパッタ法により形成する
ことを特徴とする記憶装置の製造方法。
A memory thin film is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the memory thin film includes an oxide layer containing a rare earth element, or in the memory thin film, or A memory element containing any one element selected from Ag, Cu, and Zn in a layer in contact with the memory thin film;
Wiring connected to the first electrode side;
A wiring connected to the second electrode side,
A method of manufacturing a storage device in which a large number of the storage elements are arranged,
A method for manufacturing a memory device, comprising: forming an oxide layer containing the rare earth element of the memory element by a reactive sputtering method using a metal target of the rare earth element.
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