JP2007116166A - ナノドットを具備する不揮発性メモリ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ナノドットを具備する不揮発性メモリ素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】抵抗変換物質で形成された酸化層を備えるメモリ素子であって、下部電極と、下部電極上に遷移金属酸化物を含んで形成された酸化層と、酸化層内に形成され、酸化層内部のカレントパスを単一化するナノドットと、酸化層上に形成された上部電極とを備えるメモリ素子である。これにより、酸化層のカレントパスを単一化してリセット電流を安定化させることができる。
【選択図】図3
【解決手段】抵抗変換物質で形成された酸化層を備えるメモリ素子であって、下部電極と、下部電極上に遷移金属酸化物を含んで形成された酸化層と、酸化層内に形成され、酸化層内部のカレントパスを単一化するナノドットと、酸化層上に形成された上部電極とを備えるメモリ素子である。これにより、酸化層のカレントパスを単一化してリセット電流を安定化させることができる。
【選択図】図3
Description
本発明は、不揮発性メモリ素子及びその製造方法に係り、より詳しくは、抵抗勾配を有した酸化層を含む不揮発性メモリ素子の酸化層内にナノドットを形成し、酸化層内のカレントパスを単一化した不揮発性メモリ素子及びその製造方法に関する。
半導体素子、特にメモリ素子は、単位面積当たりメモリ容量を向上させるために、集積度を高めるための研究が進められ、また低電力で駆動可能であり、その動作速度を向上させるように多くの研究が進められてきた。
一般的な半導体メモリ装置は、回路的に連結された多くの単位メモリセルを含む。半導体メモリ素子は、一般的に揮発性メモリ素子及び不揮発性メモリ素子に分けることができる。
代表的な揮発性半導体メモリ素子であるDRAM(Dynamic Random Access Memory)の場合、単位メモリセルは、1個のスイッチと1個のキャパシタとで構成されることが一般である。DRAMは、集積度が高くて動作速度が速いという利点がある。しかしながら、揮発性メモリ素子なので、電源が消えた後には、保存されたデータが全て消失される短所がある。
電源が消えた後にも保存されたデータが保存されうる不揮発性メモリ素子の代表的な例がフラッシュメモリである。フラッシュメモリは、DRAMとは異なり、不揮発性の特性を有しているが、DRAMに比べて集積度が低くて動作速度が遅いという短所がある。多くの研究が進められている不揮発性メモリ素子としては、MRAM(Magnetic Random Access Memory)、FRAM(Ferro−electric Random Access Memory)、PRAM(Phase−change Random Access Memory)及びRRAM(Resistive Random Access Memory)などがある。
MRAMは、トンネル接合における磁化方向の変化を用いてデータを保存する方式であり、FRAMは、強誘電体の分極特性を用いてデータを保存する方式である。これらはいずれもそれぞれの長短点を有しているが、基本的には、前述したように、集積度が高く、高速の動作特性を有し、低電力で駆動可能であり、データリテンション特性が良くなるように研究開発されている。
PRAMは、相変化による抵抗値の変化を用いてデータを保存する方式で駆動する。PRAMに使用される抵抗体は、一般的にカルコゲナイド系抵抗体であり、非晶質状態での抵抗が結晶質であるときより高いという特性を用いてメモリ素子を形成する。PRAMの製造時に従来の半導体素子製造工程を用いる場合には、エッチングが難しく、長時間を要する。従って、生産性が低くなって製品コストが上昇し、競争力を減少させる短所がある。
RRAMは、主に遷移金属酸化物をデータ抵抗層として使用したものであり、印加電圧による抵抗値が変わる特性(抵抗変換特性)を用いたものである。図1A及び図1Bは、RRAMの一般的な構造及び印加電圧によって酸化層に形成されるカレントパスを示した図面である。
図1A及び図1Bを参照すれば、RRAMは、基本的に下部電極11上に順次に形成された酸化層12及び上部電極13を備える構造を有する。下部電極11及び上部電極13は、一般的にメモリ素子の電極として使用されるIr、Ru、AuまたはPtのような金属やこれらの酸化物で形成される。そして、酸化層12は、抵抗変換(可変抵抗)特性を有した遷移金属酸化物で形成される。酸化層12は、データ保存層の役割を果たすものであり、下部電極11及び上部電極13を介して酸化層12に電圧を印加してデータを記録するか、あるいは記録されたデータを再生する。
下部電極11及び上部電極13を介して電圧を印加すれば、酸化層12には電位差による電流が流れるが、この電流は、酸化層12の全ての領域に同一に流れるのではなく、結晶粒界などによって酸化層12の内部に瞬間的なカレントパス10a、10bを形成しつつ流れる。このとき、酸化層12内に形成されるカレントパス10a、10bは、ランダムに形成されるものであり、下部電極11及び上部電極13を介して同一な電圧を印加しても、カレントパス10a、10bの形成位置、個数は常に変わる。すなわち、図1Aに示したカレントパス10aと図1Bに示したカレントパス10bは、それぞれその形成領域と個数とが相異なることというが分かる。
図2は、一般的な抵抗変換物質で形成された酸化層を含むメモリ素子の下部電極及び上部電極を介して電圧を印加する場合、印加電圧に対する電流値を示したグラフである。具体的に説明すれば、図2は、図1A及び図1Bのような構造を有したRRAMの下部電極11及び上部電極13に対して所定の電圧を印加した場合、酸化層12に流れる電流の値を示したものである。例えば、酸化層12は、ニッケル酸化物(NiO)で形成し、下部電極11及び上部電極13は、Ptで形成することができる。
図2を参照すると、下部電極11及び上部電極13を介して印加する電圧を0Vから次第に増大させつつ、酸化層12に流れる電流値を測定した結果、各測定時毎に印加電圧に対する電流の値が一定せず、少しずつ差がある。特に、リセット電流(RC)の場合、同一な印加前に対して10倍の差ができ、セット電圧(SV)値も一定に維持されないことが分かる。かような不安定な結果は、酸化層12のカレントパスの分布が一定しないので発生すると思料される。リセット電流値が不安定であり、高い場合、メモリ素子自体の信頼度を低下させ、消費電力を増加させる問題点がある。
本発明の技術的課題は、抵抗変換物質で形成された酸化層を含むメモリ素子のリセット電流値を減少させて安定化させ、セット電圧を安定化させて信頼性があるメモリ素子を提供するところにある。
本発明の他の技術的課題は、抵抗変換物質で形成された酸化層を備えるメモリ素子のリセット電流値を減少及び安定化させ、セット電圧を安定化させた不揮発性メモリ素子の製造方法を提供するところにある。
前記技術的課題を達成するために本発明は、抵抗変換物質で形成された酸化層を備えるメモリ素子であって、下部電極と、前記下部電極上に遷移金属酸化物を含んで形成された酸化層と、前記酸化層内に形成され、前記酸化層内部のカレントパスを単一化するナノドットと、前記酸化層上に形成された上部電極とを備えるナノドットを具備する不揮発性メモリ素子を提供する。
本発明において、前記ナノドットは、金属で形成されたことを特徴とする。
本発明において、前記酸化層は、NiO、TiO2、HfO2、ZrO2、ZnO、WO3、CoOまたはNb2O5のうち、少なくともいずれか1つの物質を含むことを特徴とする。
本発明において、前記下部電極は、Al、Au、Pt、Ru、Ir、Tiなどの金属または金属酸化物で形成されたことを特徴とする。
本発明において、前記ナノドットは、前記酸化層内の中央領域に形成されたことを特徴とする。
また、本発明では、抵抗変換物質で形成された酸化層を備えるメモリ素子であって、基板と、前記基板に形成された第1不純物領域及び第2不純物領域と、前記第1不純物領域及び前記第2不純物領域と接触し、前記基板上に形成されたゲート絶縁層及びゲート電極層と、前記第2不純物領域と電気的に連結された下部電極と、前記下部電極上に遷移金属酸化物を含んで形成された酸化層と、前記酸化層内に形成され、前記酸化層内部のカレントパスを単一化するナノドットと、前記酸化層上に形成された上部電極とを備えるナノドットを具備する不揮発性メモリ素子を提供する。
また、本発明では、抵抗変換物質で形成された酸化層を備えるメモリ素子であって、金属電極と、前記金属電極上に形成されたダイオード構造体と、前記ダイオード構造体上に形成された下部電極と、前記下部電極上に遷移金属酸化物を含んで形成された酸化層と、前記酸化層内に形成され、前記酸化層内部のカレントパスを単一化するナノドットと、前記酸化層上に形成された上部電極とを備えるナノドットを具備する不揮発性メモリ素子を提供する。
また、本発明では、抵抗変換物質で形成された酸化層を備えるメモリ素子の製造方法であって、(イ)下部電極上に第1酸化層を形成する段階と、(ロ)前記第1酸化層表面にナノドットを形成する段階と、(ハ)前記第1酸化層及び前記ナノドット上に第2酸化層を形成する段階と、(ニ)前記第2酸化層上に上部電極を形成する段階とを含むナノドットを具備する不揮発性メモリ素子の製造方法を提供する。
本発明において、前記段階(ロ)は、前記酸化層表面に集束イオンビームであって第1極性を帯びた帯電点を形成する段階と、前記酸化層表面に第2極性を帯びた物質を塗布して前記帯電点上にナノドットを形成する段階とを含むことを特徴とする。
本発明によれば、次の通りの効果がある。
第一に、抵抗性メモリ素子の酸化層内にカレントパスを単一化するナノドットを形成することにより、抵抗変換物質を使用するメモリ素子のリセット電流値を減少させて安定化させ、消費電力を減少させ、メモリ素子としての信頼性を確保できる。
第二に、セット電圧の散布を改善して安定化させることによってメモリの動作制御時の信頼性を確保できる。
以下、添付した図面に基づき、本発明の実施形態による不揮発性メモリ素子及びその製造方法について詳細に説明する。図面に示されている各層や領域の厚さ及び幅は、説明のために誇張して示したことには留意されたい。
図3は、本発明の実施形態によるナノドットを具備する不揮発性メモリ素子の構造を示した断面図である。
図3を参照すれば、下部電極31上に順次に形成された酸化層32及び上部電極33と、酸化層32内に形成され、酸化層32内でカレントパスを調節するナノドット34とを備えている。酸化層32は、RRAMの印加電圧によってその抵抗状態が変化する多層抵抗変換物質を含むものであり、例えば NiO、TiO2、HfO2、ZrO2、ZnO、WO3、CoOまたはNb2O5などの遷移金属酸化物のうち、少なくともいずれか1つの物質を含んで形成されたものである。下部電極31及び上部電極33は、一般的な半導体素子の電極に使用される伝導性物質で形成され、具体的には、例えばAl、Au、Pt、Ru、Ir、Tiのような金属または金属酸化物を含む伝導性物質などで形成されたものである。ナノドット34は、下部電極31及び上部電極33を介して電源を印加する場合、酸化層32内部に最短距離のカレントパス30を形成するためのものであり、金属のような伝導性物質で形成されたものである。
図3を参照すれば、下部電極31及び上部電極33を介して酸化層32に電源を印加する場合、図1A及び図1Bとは異なり、カレントパス30が酸化層32の全領域にランダムに形成されるのではなく、ナノドット34が形成された部分の酸化層32領域でのみ形成されるということを確認できる。1つの半導体メモリセルの場合、カレントパスを単一化するために、酸化層32には、1つのナノドット34のみが形成されたことが好ましい。もし複数のナノドットを1つの半導体メモリセルの酸化層に形成した場合には、図1A及び図1Bのように複数個のカレントパスが形成されるためである。ナノドット34は、酸化層32内部のカレントパスを調節するために形成するので、金属のような伝導性物質で形成されたことが好ましい。また、ナノドット34の形成位置は、酸化層32内周の中央領域に形成されたことが好ましい。
図4A及び図4Bは、前記図3に示した本発明の実施形態によるナノドットを具備する半導体メモリ素子の下部電極または上部電極にスイッチング素子が連結された構造を示した図面である。本発明の実施形態によるナノドットを具備するメモリ素子は、1S(switch)−1R(resistance)の構造を有するように形成され、ここで、Sは、トランジスタ(この場合1T−1R)またはダイオード(この場合1D−1R)である。図4Aは、トランジスタ構造体が連結された構造を示したものであり、図4Bは、ダイオード構造体が連結された構造を示したものである。
図4Aを参照すれば、第1不純物領域41a及び第2不純物領域41bが形成された基板が設けられており、ゲート構造体42,43が第1不純物領域41a及び第2不純物領域41bと接触し、基板40上に形成されている。ゲート構造体は、ゲート絶縁層42及びゲート電極層43からなり、基板40、ゲート絶縁層42及びゲート電極層43の表面には、層間絶縁膜44,45が形成されている。そして、コンタクトプラグ46は、層間絶縁膜45を貫通して第2不純物領域41b上に形成されている。図3に示した本発明の実施形態によるナノドットを具備する半導体メモリ素子の下部電極31は、コンタクトプラグ46と電気的に連結されている。前述したトランジスタ構造体は、従来の一般的な半導体素子の製造工程を用いて容易に形成することができ、それぞれの層を構成する物質は、従来のトランジスタ構造体の構成物質をそのまま使用できる。一般的にスパッタリングのようなPVD(Physical Vapor Deposition)、ALD(Atomic Layer Deposition)またはCVD(Chemical Vapor Deposition)などの工程を使用できる。
次に、図4Bを参照すれば、金属電極51上にダイオード構造体52、53が形成されており、その上部に、図3に示すように下部電極31、ナノドット34を備えた酸化層32及び上部電極33が形成されている。ここで、ダイオード構造体52、53は、例えばp型半導体層52及びn型半導体層53で形成され、一般的に知られたダイオード構造体を使用できる。金属電極51は、下部電極31や上部電極33と同一な物質を使用して形成されうる。
図4A及び図4Bでは、半導体メモリ素子の単位セル構造のみを示したが、アレイ形態に形成することが可能である。例えば、図4Bに示したダイオード構造体と連結された構造の半導体メモリアレイの場合、金属電極51及び上部電極33を互いに交差する形態のパターンされたアレイ形態に構成し、その間にナノドット34を含む酸化層32を備える1D−1Rクロスポイントアレイ形式に形成することができる。
以下、図5A〜図5Eを参照し、本発明の実施形態によるナノドットを具備する半導体メモリ素子の製造方法について詳細に説明する。
図5Aを参照すれば、PVD、ALDまたはCVDなどの工程を用いて下部電極31上に第1酸化層32aを形成する。第1酸化層32aは、 NiO、TiO2、HfO2、ZrO2、ZnO、WO3、CoOまたはNb2O5のような多層抵抗変換物質を含む。
図5Bを参照すれば、第1酸化層32a上に位置を指定し、集束イオンビーム(Focused Ion Beam;FIB)装置を用い、第1酸化層32aの所定領域を帯電させて帯電点34aを形成する。このとき、帯電点34aを(+)または(−)のうち少なくともいずれか1つの極性に帯電させることが好ましい。集束イオンビーム装置を用いれば、第1酸化層32a上に非常に精密な位置調整を行って帯電点34aを形成することが可能である。
図5Cを参照すれば、例えば(−)に帯電された帯電点34aを(+)に帯電された伝導性物質、例えば金属ドットを蒸着してナノドット34bを形成する。
図5Dを参照すれば、ナノドット34bを形成した後、第1酸化層32a上にPVD、ALDまたはCVDなどの工程を用いて第2酸化層32bを形成する。第2酸化層32bは、第1酸化層32aと同様に、NiO、TiO2、HfO2、ZrO2、ZnO、WO3、CoOまたはNb2O5のような多層抵抗変換物質を含む。
図5Eを参照すれば、第2酸化層32b上にAl、Au、Pt、Ru、Ir、Tiなどの金属または金属酸化物を塗布して上部電極33を形成する。
以下、本発明の実施形態による不揮発性メモリ素子の動作特性を図3及び図6を参照して詳細に説明する。図6は、本発明のような多層抵抗変換物質を含むメモリ素子の電気的特性を示すグラフであって、横軸は、印加電圧を示し、縦軸は、印加電圧に対する電流値を示したものである。
図6を参照すれば、下部電極31及び上部電極33を介して電圧を0Vから次第に上昇させれば、電圧に比例してG1グラフに沿って電流値が増大する。しかしながら、V1以上の電圧を印加すれば、抵抗の急な増加によって電流値が減少する現象が示される。V1〜V2範囲の電圧を印加すれば、電流値がG2グラフに沿って増加する。そして、V2(V2>V1)以上の電圧を印加すれば、抵抗が急に減少して電流が増加しつつ、再びG1グラフに沿うことが分かる。
一方、V1より大きい電圧範囲では、印加する電圧の大きさによってメモリ素子の電気的特性が設定されるが、この電気的特性はV1より小さい電圧印加時に確認できる。これを詳細に説明すれば次の通りである。
先ず、V1〜V2範囲の電圧をメモリ素子に印加した後、V1より小さい電圧を再び印加すれば、測定される電流はG2グラフによる電流値が測定される。一方、V2より大きい範囲の電圧(例えばV3)をメモリ素子に印加した後、V1より小さい電圧を再び印加すれば、測定される電流は、G1グラフによる電流値が測定される。従って、V1〜V2範囲の電圧印加によって設定されるメモリ素子の電気的特性を“0”に指定し、V2より大きい範囲の電圧印加によって設定されるメモリ素子の電気的特性を“1”に指定し、メモリ素子として使用できるようになる。
図1A及び図1Bに示した従来技術によるメモリ素子の場合には、カレントパスが電圧を印加するたびに異なって示され、リセット状態の電流値が一定しなかった。しかしながら、図3のような本発明の実施形態による半導体メモリ素子のような構造では、ナノドット34を酸化層32内に形成し、酸化層32のカレントパスを単一化してリセット状態の電流値を一定に維持でき、信頼性があるメモリ素子を実現できる。
前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するというより、好ましい実施形態の例示として解釈されなければならない。酸化層の材料は、開示された材料以外に抵抗変換物質であれば、制限なしに使用可能である。結果的に、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決められるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想によってのみ決められるのである。
本発明のナノドットを具備する不揮発性メモリ素子及びその製造方法は、例えば、メモリ関連の技術分野に効果的に適用可能である。
10a、10b、30 カレントパス
11、31 下部電極
12、32、32a、32b 酸化層
13、33 上部電極
34 ナノドット
40 基板
41a 第1不純物領域
41b 第2不純物領域
42 ゲート絶縁層
43 ゲート電極層
44、45 層間絶縁膜
46 コンタクトプラグ
51 金属電極
52、53 ダイオード構造体
11、31 下部電極
12、32、32a、32b 酸化層
13、33 上部電極
34 ナノドット
40 基板
41a 第1不純物領域
41b 第2不純物領域
42 ゲート絶縁層
43 ゲート電極層
44、45 層間絶縁膜
46 コンタクトプラグ
51 金属電極
52、53 ダイオード構造体
Claims (16)
- 抵抗変換物質で形成された酸化層を含むメモリ素子であって、
下部電極と、
前記下部電極上に遷移金属酸化物を含んで形成された酸化層と、
前記酸化層内に形成され、前記酸化層内部のカレントパスを単一化するナノドットと、
前記酸化層上に形成された上部電極とを備えることを特徴とするナノドットを具備する不揮発性メモリ素子。 - 前記ナノドットは、金属で形成されたことを特徴とする請求項1に記載のナノドットを具備する不揮発性メモリ素子。
- 前記酸化層は、NiO、TiO2、HfO2、ZrO2、ZnO、WO3、CoOまたはNb2O5のうち少なくともいずれか1つの物質を含むことを特徴とする請求項1に記載のナノドットを具備する不揮発性メモリ素子。
- 前記下部電極は、Al、Au、Pt、Ru、Ir、Tiなどの金属または金属酸化物で形成されたことを特徴とする請求項1に記載のナノドットを具備する不揮発性メモリ素子。
- 前記ナノドットは、前記酸化層内の中央領域に形成されたことを特徴とする請求項1に記載のナノドットを具備する不揮発性メモリ素子。
- 抵抗変換物質で形成された酸化層を含むメモリ素子であって、
基板と、
前記基板に形成された第1不純物領域及び第2不純物領域と、
前記第1不純物領域及び前記第2不純物領域と接触し、前記基板上に形成されたゲート絶縁層及びゲート電極層と、
前記第2不純物領域と電気的に連結された下部電極と、
前記下部電極上に遷移金属酸化物を含んで形成された酸化層と、
前記酸化層内に形成され、前記酸化層内部のカレントパスを単一化するナノドットと、
前記酸化層上に形成された上部電極とを備えることを特徴とするナノドットを具備する不揮発性メモリ素子。 - 前記ナノドットは、金属で形成されたことを特徴とする請求項6に記載のナノドットを具備する不揮発性メモリ素子。
- 前記酸化層は、NiO、TiO2、HfO2、ZrO2、ZnO、WO3、CoOまたはNb2O5のうち少なくともいずれか1つの物質を含むことを特徴とする請求項6に記載のナノドットを具備する不揮発性メモリ素子。
- 前記ナノドットは、前記酸化層内の中央領域に形成されたことを特徴とする請求項6に記載のナノドットを具備する不揮発性メモリ素子。
- 抵抗変換物質で形成された酸化層を含むメモリ素子であって、
金属電極と、
前記金属電極上に形成されたダイオード構造体と、
前記ダイオード構造体上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に遷移金属酸化物を含んで形成された酸化層と、
前記酸化層内に形成され、前記酸化層内部のカレントパスを単一化するナノドットと、
前記酸化層上に形成された上部電極とを備えることを特徴とするナノドットを具備する不揮発性メモリ素子。 - 前記ナノドットは、金属で形成されたことを特徴とする請求項10に記載のナノドットを具備する不揮発性メモリ素子。
- 前記酸化層は、NiO、TiO2、HfO2、ZrO2、ZnO、WO3、CoOまたはNb2O5のうち少なくともいずれか1つの物質を含むことを特徴とする請求項10に記載のナノドットを具備する不揮発性メモリ素子。
- 前記ナノドットは、前記酸化層内の中央領域に形成されたことを特徴とする請求項10に記載のナノドットを具備する不揮発性メモリ素子。
- 抵抗変換物質で形成された酸化層を含むメモリ素子の製造方法であって、
(イ)下部電極上に第1酸化層を形成する段階と、
(ロ)前記第1酸化層表面にナノドットを形成する段階と、
(ハ)前記第1酸化層及び前記ナノドット上に第2酸化層を形成する段階と、
(ニ)前記第2酸化層上に上部電極を形成する段階とを含むことを特徴とするナノドットを含む不揮発性メモリ素子の製造方法。 - 前記第1酸化層及び前記第2酸化層は、NiO、TiO2、HfO2、ZrO2、ZnO、WO3、CoOまたはNb2O5のうち少なくともいずれか1つの物質を含むことを特徴とする請求項14に記載のナノドットを具備する不揮発性メモリ素子の製造方法。
- 前記段階(ロ)は、
前記酸化層表面に集束イオンビームであって第1極性を帯びた帯電点を形成する段階と、
前記酸化層表面に第2極性を帯びた物質を塗布して前記帯電点上にナノドットを形成する段階とを含むことを特徴とする請求項14に記載のナノドットを具備する不揮発性メモリ素子の製造方法。
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