JP2007311772A - Bidirectional schottky diode having metal/semiconductor/metal laminate structure, and its method of forming - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般に集積回路(IC)製造プロセスに関し、特に、双方向ショットキーダイオードとして機能し、金属/半導体/金属(MSM:Metal Semiconductor Metal)の積層構造を有するシリコン半導体から形成される半導体素子に関する。 The present invention generally relates to an integrated circuit (IC) manufacturing process, and more particularly, a semiconductor device that functions as a bidirectional Schottky diode and is formed of a silicon semiconductor having a metal / semiconductor / metal (MSM) stacked structure. About.
クロスポイントメモリアレイは、マトリックス状に並んだメモリ素子から成り、電気接点がx軸(即ちワード線)とy軸(即ちビット線)に沿って並んでいる。実施形態によっては、デジタル値がメモリ抵抗(高抵抗或いは低抵抗)として記憶されるものもある。メモリセルの記憶状態は、選択されたメモリ素子に接続するワード線に電圧を印加することによって読み出される。抵抗或いは記憶状態は、選択されたメモリセルに接続するビット線の出力電圧として読み出される。 The cross-point memory array is composed of memory elements arranged in a matrix, and electrical contacts are arranged along the x-axis (ie, word line) and the y-axis (ie, bit line). In some embodiments, the digital value is stored as a memory resistance (high resistance or low resistance). The storage state of the memory cell is read by applying a voltage to the word line connected to the selected memory element. The resistance or storage state is read as the output voltage of the bit line connected to the selected memory cell.
クロスポイント抵抗メモリアレイは、読み出し時に障害を起こしやすいという問題がある。読み出し動作の一部として、電流は選択されたワード線から、選択されたメモリセルを経由してビット線に流れるが、同時に選択されたビット線と交差する非選択ワード線にも流れる。非選択ワード線に電流が流れることによって、出力インピーダンスが減少し、それに従い出力電圧も減少する。記憶状態を明確に区別するためには、出力電圧は記憶状態に応じて明確に区別される必要がある。 The cross-point resistance memory array has a problem that it tends to cause a failure during reading. As part of the read operation, current flows from the selected word line to the bit line via the selected memory cell, but also flows to the unselected word line that intersects the selected bit line. When current flows through the unselected word line, the output impedance decreases, and the output voltage also decreases accordingly. In order to clearly distinguish the memory state, the output voltage needs to be clearly distinguished according to the memory state.
抵抗メモリセルに不要な電流が流れる問題は、直列接続したダイオードを用いることによって対処できる。ダイオードは逆バイアスでは電流が流れにくいためである。しかし、この特徴によって、抵抗メモリ素子にダイオードが直列接続して構成される1ダイオード/1抵抗型(1D1R)のメモリセルへの書き込みが困難になる。ダイオードに対して逆バイアスとなる書き込み電圧が使用できないためである。従って、1D1Rメモリセルは、モノポーラ型の書き込み(メモリ抵抗を高抵抗化する場合と低抵抗化する場合の書き込み電圧が同極性となる書き込み)に適している。更に、ダイオードは、最適な動作を得るために単結晶のシリコンから形成することが望ましい。しかし、薄膜堆積プロセスを用いて大きな結晶粒子を形成することは困難である。 The problem of unnecessary current flowing through the resistance memory cell can be dealt with by using a diode connected in series. This is because current is difficult to flow in the diode in reverse bias. However, this feature makes it difficult to write to a 1-diode / 1-resistance (1D1R) memory cell configured by connecting a diode in series to a resistive memory element. This is because a write voltage that is reverse biased to the diode cannot be used. Therefore, the 1D1R memory cell is suitable for monopolar type writing (writing in which the writing voltage has the same polarity when the memory resistance is increased and when the resistance is decreased). Furthermore, the diode is preferably formed from single crystal silicon for optimal operation. However, it is difficult to form large crystal grains using a thin film deposition process.
大容量のクロスポイント抵抗メモリアレイにおいて、読み出し時におけるクロストークを最小限に抑えるために多くのクロスポイント抵抗メモリアレイ構造が提案されてきた。1D1Rメモリセルは、モノポーラ型のメモリアレイの書き込みに大変適している。しかし、高性能なダイオードは単結晶のシリコン上でしか製造できない。多層3次元アレイでは、上部層のダイオードは堆積したシリコンの再結晶化によって形成するが、その結果得られるダイオードは、通常良好な電気的特性を示さない。しかも、ダイオードをかなり厚いシリコン膜から形成する必要がある。 Many crosspoint resistive memory array structures have been proposed to minimize crosstalk during read in large capacity crosspoint resistive memory arrays. The 1D1R memory cell is very suitable for writing to a monopolar memory array. However, high performance diodes can only be fabricated on single crystal silicon. In a multilayer three-dimensional array, the upper layer diode is formed by recrystallization of the deposited silicon, but the resulting diode usually does not exhibit good electrical characteristics. In addition, it is necessary to form the diode from a considerably thick silicon film.
下記の特許文献1は、抵抗メモリ素子と金属/絶縁体/金属(MIM:Metal Insulator Metal)構造のMIM素子を直列に接続してなるメモリセルを提案している。このMIM素子は、低バイアス下では非導電性を示す。バイアス電圧が一定値よりも高い場合、その導電性は大幅に増加する。当該電圧は、「電流上昇電圧」もしくは「バリスタ電圧」と呼ばれる。MIM構造では、高電流領域に対して高電界が発生することにより、インパクトイオン化が生じる。広く知られているように、MIM素子は高い電流密度ストレス下において不安定になる。これは、絶縁体に高電界が印加された時に、絶縁体に深いトラップ状態が生じ、局所的なアバランシェ降伏が生じるためである。結果として、電流電圧特性は電流が比較的低い状態においてのみ、可逆性を持つことになる。従って、MIM非オーミック素子は、多数の書き込み動作を必要とするクロスポイントメモリセルには適さない。尚、具体的なMIM素子の材料、或いは、製造方法については、下記特許文献1では開示されていない。
そこで、導電性が順方向バイアス時には高く、逆バイアス時で比較的低電圧時には低く、逆バイアス時でも高電圧時には高い双方向ショットキーダイオード素子が、比較的低温で容易に製造できれば好都合である。 Therefore, it would be advantageous if a bidirectional Schottky diode element having high conductivity during forward bias, low during reverse bias and relatively low voltage, and high during reverse bias and high voltage can be easily manufactured at a relatively low temperature.
更に、抵抗メモリ装置で上記の双方向ショットキーダイオードを製造し、リーク電流の少ないバイポーラ型の書き込み(メモリ抵抗を高抵抗化する場合と低抵抗化する場合の書き込み電圧が逆極性となる書き込み)が可能な1D1Rクロスポイントメモリアレイが構築できれば好都合である。 Furthermore, the above-described bidirectional Schottky diode is manufactured with a resistive memory device, and bipolar writing with less leakage current (writing in which the writing voltage has a reverse polarity when the memory resistance is increased and when the resistance is decreased) It would be advantageous if a 1D1R cross-point memory array capable of the above could be constructed.
これより、高電圧の(順方向及び逆方向)バイアス状態の下では順方向バイアス、逆方向バイアスの何れの電圧印加極性でも電流が流れるが、低電圧のバイアス状態の下では電流がブロックされる双方向ダイオード素子について説明する。双方向ダイオード素子を直列に接続することで、抵抗メモリセルに電流リミッタを追加することができる。これにより、高電圧印加によるバイポーラ型の書き込みが可能となり、低電圧の読み出し時には電流が非選択ワード線に流れないようにすることが可能となる。 As a result, current flows in either forward bias or reverse bias voltage application polarity under high voltage (forward and reverse) bias conditions, but current is blocked under low voltage bias conditions. The bidirectional diode element will be described. By connecting the bidirectional diode elements in series, a current limiter can be added to the resistance memory cell. As a result, bipolar writing by applying a high voltage is possible, and current can be prevented from flowing through the non-selected word line at the time of low voltage reading.
従来の多くのクロスポイント抵抗メモリアレイでは、電流が選択されたワード線から選択されたメモリセルを経由してビット線に流れると同時に、ビット線と交差する非選択ワード線にも流れることによって、読み出し障害が生じる虞があった。しかし、メモリセル内に電流リミッタを備えるクロスポイントアレイであれば、非選択ワード線に電流が流れることを最小限に抑え、出力(読み出し)電圧を最小限に抑えることが可能である。 In many conventional cross-point resistive memory arrays, current flows from a selected word line to a bit line via a selected memory cell, and simultaneously flows to an unselected word line that intersects the bit line. There is a possibility that a reading failure occurs. However, in the case of a cross point array having a current limiter in a memory cell, it is possible to minimize the current flowing through the unselected word line and to minimize the output (read) voltage.
金属/半導体/金属(MSM)構造の双方向ショットキーバリア素子は、正、負両方のバイアス電圧に関して対称的な非オーミック特性を現す。このMSM素子は、抵抗クロスポイントメモリアレイにおいてメモリセルの電流リミッタとして使用することができる。半導体の導電性は高く、トラップ状態の捕獲断面は小さいので、当該素子は高電界において安定した動作が可能である。MSM素子の電流密度は、MIM素子よりも数桁高くすることができる。 Metal / semiconductor / metal (MSM) bi-directional Schottky barrier devices exhibit non-ohmic characteristics that are symmetric with respect to both positive and negative bias voltages. This MSM element can be used as a memory cell current limiter in a resistive cross-point memory array. Since the conductivity of the semiconductor is high and the trapping cross section in the trap state is small, the element can operate stably in a high electric field. The current density of the MSM element can be several orders of magnitude higher than the MIM element.
また、本発明のMSM素子は、1D1R型のクロスポイントメモリアレイへの応用に加えて、電流制限ダイオードを用いる他の応用、及び回路にも使用することができる。 In addition to the application to the 1D1R type cross-point memory array, the MSM element of the present invention can be used for other applications and circuits using current limiting diodes.
従って、本発明は、従来のMIM素子の問題点、及び、上記MSM構造の双方向ショットキーバリア素子の特徴に鑑みてなされたもので、その目的は、抵抗クロスポイントメモリアレイにおいてメモリセルの電流リミッタとして使用可能な双方向ショットキーバリアダイオード、及び、その形成方法を提供する点にある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the problems of the conventional MIM element and the characteristics of the bidirectional Schottky barrier element having the above-mentioned MSM structure. A bidirectional Schottky barrier diode that can be used as a limiter and a method for forming the same are provided.
上記目的を達成するための本発明に係る双方向ショットキーバリアダイオードの形成方法は、シリコン半導体から金属/半導体/金属の積層構造を有する双方向ショットキーダイオードを形成する方法であって、下部電極と上部電極との間に挟持されるシリコン半導体層を堆積する工程と、閾値電圧、降伏電圧、及び、オン/オフ電流比を有する前記双方向ショットキーダイオードを形成する工程と、前記双方向ショットキーダイオードの前記閾値電圧、前記降伏電圧、及び、前記オン/オフ電流比を前記シリコン半導体層の膜厚の制御によって調整する工程と、を備えることを特徴とする。ここで、閾値電圧と降伏電圧は何れもシリコン半導体層の膜厚の増加に従って増加する。また、オン/オフ電流比に対してはシリコン半導体層の最適な膜厚が存在する。 In order to achieve the above object, a method for forming a bidirectional Schottky barrier diode according to the present invention is a method for forming a bidirectional Schottky diode having a metal / semiconductor / metal laminated structure from a silicon semiconductor. Depositing a silicon semiconductor layer sandwiched between the upper electrode and the upper electrode; forming the bidirectional Schottky diode having a threshold voltage, a breakdown voltage, and an on / off current ratio; and the bidirectional shot Adjusting the threshold voltage of the key diode, the breakdown voltage, and the on / off current ratio by controlling the film thickness of the silicon semiconductor layer. Here, both the threshold voltage and the breakdown voltage increase as the thickness of the silicon semiconductor layer increases. In addition, an optimum film thickness of the silicon semiconductor layer exists for the on / off current ratio.
本発明に係る双方向ショットキーバリアダイオードの形成方法では、更に好ましくは、化学気相成長法(CVD)またはDCスパッタリング法の何れかの堆積方法を用いて非晶質シリコンまたは多結晶シリコンの半導体層を形成する。例えば、DCスパッタリングは非晶質シリコン半導体層の形成に用いることができる。非晶質シリコン半導体層は、その後にアニーリングされると多結晶シリコン半導体層となる。DCスパッタリング出力を増加、或いは、基板温度を上昇させると、閾値電圧は減少し、降伏電圧は増加し、オン/オフ電流比は減少する。同様に、酸素分圧を増加させると、閾値電圧と降伏電圧は増加する。シリコン半導体層が最適な膜厚となるように堆積した場合、シリコン半導体層の堆積膜厚が最適膜厚よりも薄い場合は、オンオフ両方の電流が増加すると共に、オン/オフ電流比は減少する。同様に、当該堆積膜厚が最適膜厚よりも厚い場合、オンオフ両方の電流が減少すると共に、オン/オフ電流比も減少する。 In the method for forming a bidirectional Schottky barrier diode according to the present invention, it is more preferable to use either a chemical vapor deposition method (CVD) or a DC sputtering method to deposit an amorphous silicon or polycrystalline silicon semiconductor. Form a layer. For example, DC sputtering can be used to form an amorphous silicon semiconductor layer. The amorphous silicon semiconductor layer becomes a polycrystalline silicon semiconductor layer when annealed thereafter. Increasing the DC sputtering power or increasing the substrate temperature decreases the threshold voltage, increases the breakdown voltage, and decreases the on / off current ratio. Similarly, increasing the oxygen partial pressure increases the threshold voltage and breakdown voltage. When the silicon semiconductor layer is deposited so as to have an optimum film thickness, when the deposited film thickness of the silicon semiconductor layer is smaller than the optimum film thickness, both the on / off current increases and the on / off current ratio decreases. . Similarly, when the deposited film thickness is larger than the optimum film thickness, both the on / off current decreases and the on / off current ratio also decreases.
本発明に係る双方向ショットキーバリアダイオードの形成方法では、CVD法を用いてシリコン半導体層を堆積する場合は、シリコン半導体層はV族のドナー材料でドーピングすることができる。当該ドーピングによって閾値電圧は減少し、降伏電圧は増加する。ドーピングを用いる場合にも、オン/オフ電流比に対するシリコン半導体層の最適な膜厚は検討する必要がある。 In the method for forming a bidirectional Schottky barrier diode according to the present invention, when a silicon semiconductor layer is deposited using a CVD method, the silicon semiconductor layer can be doped with a group V donor material. The doping decreases the threshold voltage and increases the breakdown voltage. Even when doping is used, it is necessary to study the optimum film thickness of the silicon semiconductor layer with respect to the on / off current ratio.
以下、本発明に係る双方向ショットキーダイオード及びその形成方法(以下、適宜「本発明素子」及び「本発明方法」と称する)について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a bidirectional Schottky diode according to the present invention and a method for forming the same (hereinafter, referred to as “the element of the present invention” and “the method of the present invention” as appropriate) will be described with reference to the drawings.
図1は、シリコン半導体から形成される金属/半導体/金属の積層構造(MSM構造)を有する双方向ショットキーダイオード(本発明素子)の部分断面図である。本発明素子100は、シリコン基板102上に、下部電極(BE)104と非晶質シリコン半導体層110と上部電極(TE)114が順番に積層されて構成されている。下部電極(BE)104は、基板102の上のPt層106とPt層106上のTiN層108から成る。非晶質シリコン半導体層110は、下部電極104の上に積層され、10〜80nmの膜厚112を有する。上部電極(TE)114は、非晶質シリコン半導体層110上に積層されたTiN層114から成る。
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a bidirectional Schottky diode (element of the present invention) having a metal / semiconductor / metal laminated structure (MSM structure) formed of a silicon semiconductor. The
非晶質シリコン半導体の膜厚の範囲は、従来とは異なる値であり、予想外の値になると考えられる。以下で詳細に述べるように、最適な素子性能は膜厚に依存し、膜厚は閾値電圧、降伏電圧、オン/オフ電流比を考慮した上でそれらに対してバランスが保たれていなければならない。 The range of the film thickness of the amorphous silicon semiconductor is different from the conventional one, and is considered to be an unexpected value. As will be discussed in detail below, optimal device performance depends on film thickness, which must be balanced against the threshold voltage, breakdown voltage, and on / off current ratio. .
以下で詳細に述べるように、本発明素子100は、約0.8〜2Vの範囲の閾値電圧と、約2.5〜6Vの範囲の降伏電圧を有する。非晶質シリコン半導体層110の膜厚112が約30nmの場合、本発明素子100の閾値電圧は約1.5V、降伏電圧は約3.5V、オン/オフ電流比は、下部電極104と上部電極114間の印加電圧が1Vの時(印加電圧が閾値電圧未満のオフ状態)に6×10−2A/cm2に対して、同印加電圧が3Vの時(印加電圧が閾値電圧以上のオン状態)に1.5×102A/cm2で約3.5桁(103.5)である。
As will be described in detail below, the
非晶質シリコン半導体層110にV族のドナーであるドーパント材料が含まれる場合、本発明素子100の閾値電圧は約2〜3.5V、降伏電圧は約6〜12Vの範囲となる。ドーピングされた非晶質シリコン半導体層110の膜厚112が約30nmである場合、本発明素子100の閾値電圧は約2.5V、降伏電圧は約6Vとなる。
When the amorphous
上記の材料の他に、上部電極114及び下部電極104は、Pt、Ir、Au、Ag、TiN、AlCu、Pd、W、Ti、Cr、Si、Al、Rh、Ta、Ru、TaN、YBCO、インジウムスズ酸化物(ITO)、InO3、ZnO、RuO2、La1−xSrxCoO3等の材料で形成することができる。但し、ここに列挙した材料以外にも本分野で使用され公知である電極材料は存在する。基板102はシリコンに限らず、Ge、SiO2、GeAs、ガラス、石英、プラスチック等の材料でも構わない。また、ここまでは非晶質シリコン半導体材料を用いたが、他の実施形態では半導体材料には多結晶シリコンを用いる。
In addition to the above materials, the
図2は、本発明素子100を備えた抵抗メモリ装置のメモリセルの部分断面図である。メモリセル200は、抵抗メモリ素子の下部電極(MRBE)202、及び、抵抗メモリ素子の下部電極202上にメモリ抵抗材料(MR)204を備える。このメモリ抵抗材料204の上に本発明素子100を備える。本発明素子100は図1及び上述の通りであり、簡略化のため重複する説明は割愛する。
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a memory cell of a resistance memory device including the
抵抗メモリ素子下部電極202上のメモリ抵抗材料204は、Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)、巨大磁気抵抗(CMR)膜、遷移金属酸化物、モット絶縁体、高温超伝導体(HTSC)、ペロブスカイト材料といった材料で構成される。
The memory
本発明素子100の上部電極114はメモリセル200の上部電極でもあり、x軸方向に隣接するメモリセルの上部電極114は相互に接続され、メモリアレイ上のワード線を形成する。一方、抵抗メモリ素子下部電極202はメモリセル200の下部電極でもあり、y軸方向に隣接するメモリセルの下部電極202は相互に接続され、メモリアレイ上のビット線を形成する。メモリアレイでは、従来技術で公知であるように、複数のメモリセル200が、各ビット線及び各ワード線に夫々接続している。尚、図2では、本発明素子100は抵抗メモリ素子の上に形成されているが、これとは反対に、他の実施形態として、本発明素子100を抵抗メモリ素子の下に形成してもよい(図示せず)。即ち、当該他の実施形態では、本発明素子100の下部電極104がビット線となり、抵抗メモリ素子の下部電極202は本発明素子100の上部電極114上に形成される。また、メモリ抵抗材料204上に抵抗メモリ素子の上部電極(図示せず)を設け、この上部電極(図示せず)がワード線となる。抵抗メモリ素子の上部電極及び下部電極としては、Pt、Ir、Au、Ag、Ru、TiN、Ti、Al、ALCu、Pd、Rh、W、Cr、導電性酸化物、Ag、Au、Pt、Ir、TiN等の材料が使用可能である。
The
本発明素子100は、電流リミッタとして機能し、上述の如くクロスポイント抵抗性ランダムアクセスメモリ(RRAM)のメモリセル、及び、その他の用途に利用できる。当該応用のために、非晶質シリコンのMSM構造について、特に、DCスパッタリング法を用いた、砒素を注入する場合としない場合の、膜厚が約10nm〜80nmの非晶質シリコンを備えるTiN/非晶質シリコン半導体層/TiNのMSM構造について検討を行った。非晶質シリコン薄膜を備えた本発明素子の電流電圧(IV)曲線は非線形特性を示す。非晶質シリコン薄膜の膜厚が増加するにつれて、閾値電圧と降伏電圧は増加し、電流は減少する。本発明素子の非晶質シリコン半導体層の膜厚が約30〜50nmの範囲では、興味深いデータが観察される。
The
〈実験方法〉
以下の検討では、基板はP型シリコン(100)のウェハである。SC1、SC2洗浄、及び、20:1のHF(フッ化水素)中に浸漬してエッチングした後、膜厚100nmのPt層、及び、膜厚150nmのTiN層をシリコンウェハ上に堆積し、下部電極が形成される。下部電極と上部電極は、TiN以外に幾つか例を挙げると、Pt、Ir、Al、AlCu、Au、Ag、Pd、Rh、W、Ti、Cr等の金属を用いることができる。また、下部電極及び上部電極は、YBCO、ITO、InO3、ZnO、RuO2、La1−xSrxCoO3等の導電性酸化物でもよい。TiN/非晶質シリコン/TiN構造からは興味深いデータが得られる。
<experimental method>
In the following discussion, the substrate is a P-type silicon (100) wafer. After SC1, SC2 cleaning and immersion in 20: 1 HF (hydrogen fluoride) and etching, a 100 nm thick Pt layer and a 150 nm thick TiN layer are deposited on the silicon wafer, An electrode is formed. For the lower electrode and the upper electrode, metals such as Pt, Ir, Al, AlCu, Au, Ag, Pd, Rh, W, Ti, and Cr can be used to name some examples in addition to TiN. The lower electrode and the upper electrode may be conductive oxides such as YBCO, ITO, InO 3 , ZnO, RuO 2 , and La 1-x Sr x CoO 3 . Interesting data can be obtained from the TiN / amorphous silicon / TiN structure.
DCスパッタリング法及びCVD法を用いて、TiN層(下部電極)上に10nm〜80nmの範囲の様々な膜厚の非晶質シリコン薄膜を堆積させることができる。DCスパッタリング法とCVD法の各成膜条件を表1及び表2に挙げる。一つの試みとして、様々な膜厚を有するウェハの内、半分のウェハに30keVで1012atoms/cm2の注入量の砒素を注入し、500℃で10分間アニーリングを行う。また、200keVで1013atoms/cm2の注入量でホウ素を、30keVで2×1015atoms/cm2の注入量で砒素をダブルイオン注入法で注入し、約700〜900℃の温度で30〜90分間ポストアニール処理を行って、膜厚が1200nmの多結晶シリコン膜を形成する。最後に、膜厚が150nmでTiNから成る上部電極を非晶質シリコン薄膜上に堆積し、パターニングしてMSM構造の本発明素子を形成する。本実施例の素子構造は、シリコン/Pt(100nm)/TiN(150nm)/非晶質シリコン半導体層/TiN(150nm)である。 Using the DC sputtering method and the CVD method, it is possible to deposit amorphous silicon thin films having various thicknesses in the range of 10 nm to 80 nm on the TiN layer (lower electrode). Tables 1 and 2 list the film forming conditions of the DC sputtering method and the CVD method. As one trial, arsenic with an injection amount of 10 12 atoms / cm 2 is injected at 30 keV into half of the wafers having various film thicknesses, and annealing is performed at 500 ° C. for 10 minutes. Further, boron is implanted at a rate of 10 13 atoms / cm 2 at 200 keV and arsenic is implanted at a rate of 2 × 10 15 atoms / cm 2 at 30 keV by a double ion implantation method, and is performed at a temperature of about 700 to 900 ° C. A post-annealing process is performed for ~ 90 minutes to form a polycrystalline silicon film having a thickness of 1200 nm. Finally, an upper electrode made of TiN having a thickness of 150 nm is deposited on the amorphous silicon thin film and patterned to form the element of the present invention having an MSM structure. The element structure of this example is silicon / Pt (100 nm) / TiN (150 nm) / amorphous silicon semiconductor layer / TiN (150 nm).
非晶質シリコン膜の相はX線回折によって確認できる。膜厚や表面形態を調べるには走査型電子顕微鏡を用いる。様々な膜厚を有するMSM素子の特性は、精密な半導体パラメータアナライザ(HP4156A)を用いて測定する。 The phase of the amorphous silicon film can be confirmed by X-ray diffraction. A scanning electron microscope is used to examine the film thickness and surface morphology. The characteristics of MSM elements having various film thicknesses are measured using a precise semiconductor parameter analyzer (HP4156A).
〈実験結果〉
図3(a)乃至図3(f)は、非晶質シリコン半導体層が様々な膜厚を持つ場合の本発明素子のIV曲線を示すグラフである。素子サイズは、100μm×100μmである。TiNの上部電極からPt層の下部電極までの両電極間の電流及び電圧を測定している。膜厚10nmの非晶質シリコン半導体層を有するMSM素子のIV曲線は、印加電圧が1V以下の場合、非線形特性を示す。図3(a)に示すように、閾値電圧は約0.2Vであり、降伏電圧は約1Vである。降伏後は、MSM素子は非線形特性を示さなくなる。非晶質シリコン半導体層の膜厚が増加するにつれて、閾値電圧と降伏電圧は増加し、同じ印加電圧において電流は減少する。一方で、非晶質シリコン半導体層の膜厚を増加させることによって、本発明素子である非晶質シリコンMSM素子は電流リミッタへの応用にとってより好都合な非線形特性を示すようになる。
<Experimental result>
3 (a) to 3 (f) are graphs showing IV curves of the element of the present invention when the amorphous silicon semiconductor layer has various film thicknesses. The element size is 100 μm × 100 μm. The current and voltage between both electrodes from the upper electrode of TiN to the lower electrode of the Pt layer are measured. The IV curve of an MSM element having an amorphous silicon semiconductor layer with a thickness of 10 nm exhibits nonlinear characteristics when the applied voltage is 1 V or less. As shown in FIG. 3A, the threshold voltage is about 0.2V, and the breakdown voltage is about 1V. After breakdown, the MSM element does not exhibit nonlinear characteristics. As the thickness of the amorphous silicon semiconductor layer increases, the threshold voltage and breakdown voltage increase and the current decreases at the same applied voltage. On the other hand, by increasing the film thickness of the amorphous silicon semiconductor layer, the amorphous silicon MSM element, which is the element of the present invention, exhibits non-linear characteristics that are more favorable for application to a current limiter.
図3(b)において、非晶質シリコン半導体層の膜厚は15nm、閾値電圧は約0.8Vであり、降伏電圧は2.5Vより大きい。 In FIG. 3B, the film thickness of the amorphous silicon semiconductor layer is 15 nm, the threshold voltage is about 0.8V, and the breakdown voltage is larger than 2.5V.
図3(c)において、非晶質シリコン半導体層の膜厚は20nm、閾値電圧は約1.3Vであり、降伏電圧は2.5Vより大きい。本発明素子である非晶質シリコンMSM素子は、電流リミッタへの応用に適した、非常に良好な非線形特性を示す。 In FIG. 3C, the film thickness of the amorphous silicon semiconductor layer is 20 nm, the threshold voltage is about 1.3V, and the breakdown voltage is larger than 2.5V. The amorphous silicon MSM element, which is the element of the present invention, exhibits very good non-linear characteristics suitable for application to a current limiter.
図3(d)において、非晶質シリコン半導体層の膜厚は25nm、閾値電圧は約1.7Vであり、降伏電圧は3.5Vより大きい。 In FIG. 3D, the film thickness of the amorphous silicon semiconductor layer is 25 nm, the threshold voltage is about 1.7V, and the breakdown voltage is larger than 3.5V.
図3(e)において、非晶質シリコン半導体層の膜厚は30nm、閾値電圧は約1.5Vであり、降伏電圧は3.5Vより大きい。 In FIG. 3E, the film thickness of the amorphous silicon semiconductor layer is 30 nm, the threshold voltage is about 1.5V, and the breakdown voltage is larger than 3.5V.
図3(f)において、非晶質シリコン半導体層の膜厚は50nm、閾値電圧は約2Vであり、降伏電圧は6Vより大きい。 In FIG. 3F, the film thickness of the amorphous silicon semiconductor layer is 50 nm, the threshold voltage is about 2V, and the breakdown voltage is larger than 6V.
図4は、閾値電圧、降伏電圧、非晶質シリコン半導体層の膜厚の関係を示すグラフである。非晶質シリコン半導体層の膜厚が30nmの図3(e)のMSM素子は、興味深い電流制限特性を示す。印加電圧が3Vの場合における「オン」電流密度は、約1.5×102A/cm2であり、印加電圧が1Vの場合における「オフ」電流密度は、約6×10−2A/cm2である。「オフ」電流密度に対する「オン」電流密度の比は、約3.5桁(103.5)である。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the threshold voltage, the breakdown voltage, and the film thickness of the amorphous silicon semiconductor layer. The MSM element of FIG. 3 (e) having an amorphous silicon semiconductor layer thickness of 30 nm exhibits interesting current limiting characteristics. The “on” current density when the applied voltage is 3 V is about 1.5 × 10 2 A / cm 2 , and the “off” current density when the applied voltage is 1 V is about 6 × 10 −2 A / cm 2. cm 2 . The ratio of the “on” current density to the “off” current density is approximately 3.5 orders of magnitude (10 3.5 ).
図5(a)乃至図5(d)は、砒素を注入したシリコン半導体層を備えるMSM素子のIV特性を示すグラフである。電流リミッタへの応用のために、非晶質シリコンMSM素子の非線形特性を更に検討すべく、砒素を注入した膜厚が30nm〜80nmの範囲のシリコン半導体層について詳細に調べた。図5(a)において、非晶質シリコン半導体層の膜厚は30nm、閾値電圧は約2.5Vであり、降伏電圧は6Vより大きい。 FIGS. 5A to 5D are graphs showing IV characteristics of an MSM element including a silicon semiconductor layer into which arsenic is implanted. In order to further examine the nonlinear characteristics of the amorphous silicon MSM device for application to a current limiter, a silicon semiconductor layer having a thickness of 30 to 80 nm implanted with arsenic was examined in detail. In FIG. 5A, the film thickness of the amorphous silicon semiconductor layer is 30 nm, the threshold voltage is about 2.5V, and the breakdown voltage is larger than 6V.
図5(b)において、非晶質シリコン半導体層の膜厚は50nm、閾値電圧は約3Vであり、降伏電圧は8Vより大きい。 In FIG. 5B, the film thickness of the amorphous silicon semiconductor layer is 50 nm, the threshold voltage is about 3V, and the breakdown voltage is larger than 8V.
図5(c)において、非晶質シリコン半導体層の膜厚は65nm、閾値電圧は約4Vであり、降伏電圧は12Vより大きい。 In FIG. 5C, the film thickness of the amorphous silicon semiconductor layer is 65 nm, the threshold voltage is about 4V, and the breakdown voltage is larger than 12V.
図5(d)において、非晶質シリコン半導体層の膜厚は80nm、閾値電圧は約3.5Vであり、降伏電圧は10Vより大きい。 In FIG. 5D, the film thickness of the amorphous silicon semiconductor layer is 80 nm, the threshold voltage is about 3.5V, and the breakdown voltage is larger than 10V.
図6は、非晶質シリコン半導体層に砒素をドーパントとして注入した場合の閾値電圧、降伏電圧、非晶質シリコン半導体層の膜厚の関係を示すグラフである。砒素を注入したシリコン半導体層を備えたMSM素子は、砒素を注入していない場合のMSM素子と比較して、閾値電圧と降伏電圧は高く、電流は減少しており、非常に良好な非線形特性を示している。これは砒素注入とポストアニール処理を行う間に、非晶質シリコン半導体層上の表面酸化物が形成されるためと考えられる。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the threshold voltage, the breakdown voltage, and the film thickness of the amorphous silicon semiconductor layer when arsenic is implanted as a dopant into the amorphous silicon semiconductor layer. An MSM device having a silicon semiconductor layer implanted with arsenic has a higher threshold voltage and breakdown voltage and a reduced current compared to an MSM device without arsenic implantation, and has very good nonlinear characteristics. Is shown. This is presumably because a surface oxide on the amorphous silicon semiconductor layer is formed during the arsenic implantation and the post-annealing process.
図7(a)及び図7(b)は非晶質シリコン半導体層の膜厚が1200nmで、素子サイズが200μm×200μmのMSM素子のIV曲線を示すグラフである。Ptの上部電極からPtの下部電極までの両電極間の電流及び電圧を測定している。実験結果から、非晶質シリコン半導体層の膜厚が更に1200nmまで増加すると、閾値電圧と降伏電圧は50Vを超えて増加する。電流は、非晶質シリコンの膜厚が増加するにつれて減少する。これは、MSM素子の抵抗が増加することを意味している。印加電圧が低い場合は、閾値電圧は非常に小さい。しかし、IV曲線の測定に低い動作電圧を用いる前に、高電圧を印加して素子状態を切り替える高電圧トレーニングを行うと閾値電圧は増加する。閾値電圧は、印加電圧が増加するに従って増加するため、電流リミッタへの応用にとっては理想的でない。 FIGS. 7A and 7B are graphs showing IV curves of an MSM element having an amorphous silicon semiconductor layer thickness of 1200 nm and an element size of 200 μm × 200 μm. The current and voltage between both electrodes from the upper electrode of Pt to the lower electrode of Pt are measured. From the experimental results, when the thickness of the amorphous silicon semiconductor layer is further increased to 1200 nm, the threshold voltage and the breakdown voltage increase beyond 50V. The current decreases as the amorphous silicon film thickness increases. This means that the resistance of the MSM element increases. When the applied voltage is low, the threshold voltage is very small. However, the threshold voltage increases when high voltage training is performed to switch the element state by applying a high voltage before using a low operating voltage to measure the IV curve. The threshold voltage increases as the applied voltage increases and is not ideal for current limiter applications.
図8(a)及び図8(b)は非晶質シリコン半導体層の膜厚が1200nmで、素子サイズが200μm×200μmのMSM素子のIV曲線を示すグラフである。Ptの上部電極からシリコンの下部電極までの両電極間の電流及び電圧を測定している。図8(a)に示すように、高い印加電圧に対してIV曲線は非線形特性を示す。しかし、図8(b)に示すように、低い印加電圧に対しては、IV曲線は線形を示す傾向がある。印加電圧が増加するに従って閾値電圧も増加する。実験結果により、厚い非晶質シリコン半導体層を有するMSM素子は、電流リミッタへの応用にとって理想的ではないということが分かる。 FIGS. 8A and 8B are graphs showing IV curves of an MSM element having an amorphous silicon semiconductor layer thickness of 1200 nm and an element size of 200 μm × 200 μm. The current and voltage between both electrodes from the upper electrode of Pt to the lower electrode of silicon are measured. As shown in FIG. 8A, the IV curve exhibits nonlinear characteristics with respect to a high applied voltage. However, as shown in FIG. 8B, the IV curve tends to be linear for a low applied voltage. As the applied voltage increases, the threshold voltage also increases. Experimental results show that MSM devices with thick amorphous silicon semiconductor layers are not ideal for current limiter applications.
要約すると、非晶質シリコン半導体層を備えたMSM素子のIV曲線は、非線形型特性を示し、非結晶シリコン半導体層の膜厚が増加するにつれて、閾値電圧、及び、降伏電圧は増加し、電流は減少する。シリコン半導体層に砒素を注入したMSM素子は、砒素注入がないMSM素子と比較すると、非常に良好な非線形を示し、閾値電圧及び降伏電圧は高く、電流は低くなる。これは砒素注入とポストアニール処理を行う間に、非晶質シリコン半導体層上に表面酸化物が形成されることが原因であると思われる。この表面酸化物は、HF表面洗浄によって取り除かれる。図3(e)に示すように、膜厚が30nmの非晶質シリコンを備えたMSM素子からは、電流リミッタに好適なデータが得られる。印加電圧が3Vの場合における「オン」電流密度は、約1.5×102A/cm2であり、印加電圧が1Vの場合における「オフ」電流密度は、約6×10−2A/cm2である。その比率は約3.5桁である。 In summary, the IV curve of the MSM element having an amorphous silicon semiconductor layer shows nonlinear characteristics, and as the film thickness of the amorphous silicon semiconductor layer increases, the threshold voltage and breakdown voltage increase, Decrease. The MSM element in which arsenic is implanted into the silicon semiconductor layer exhibits very good non-linearity as compared with the MSM element without arsenic implantation, and the threshold voltage and breakdown voltage are high and the current is low. This is considered to be caused by the formation of a surface oxide on the amorphous silicon semiconductor layer during the arsenic implantation and the post annealing process. This surface oxide is removed by HF surface cleaning. As shown in FIG. 3E, data suitable for a current limiter can be obtained from an MSM element including amorphous silicon having a thickness of 30 nm. The “on” current density when the applied voltage is 3 V is about 1.5 × 10 2 A / cm 2 , and the “off” current density when the applied voltage is 1 V is about 6 × 10 −2 A / cm 2. cm 2 . The ratio is about 3.5 digits.
クロスポイント抵抗メモリアレイは、書き込み妨害、書き込み障害、及び、読み出し障害を最小限にするために、個々の抵抗メモリ素子に直列に接続されたダイオード等の電流リミッタ素子を必要とする。個々の抵抗メモリ素子と直列に接続されたダイオードを備えたクロスポイントメモリアレイは、同一極性の電圧パルスを用いたモノポーラ書き込みのみが可能である。金属多層膜の上には高品質の(つまり単結晶の)ダイオードを製造できないため、ダイオードと抵抗メモリ素子を直列接続してなるメモリセルを集積化して抵抗クロスポイントメモリアレイを形成することは実現不可能である。金属/絶縁体/金属(MIM)素子は、たとえごく僅かな電流密度での動作においても信頼性に乏しいため、MIM電流リミッタはダイオードを代替できない。このMIM素子の信頼性の問題は、絶縁体の深いトラップ状態と局所的に生じる壊滅的な絶縁破壊にその原因がある。しかし、絶縁体を半導体材料に置き換えることで、双方向ショットキー構造が形成できる。 Cross-point resistive memory arrays require current limiter elements such as diodes connected in series with the individual resistive memory elements to minimize write disturb, write disturb, and read disturb. A cross-point memory array including diodes connected in series with individual resistive memory elements can only perform monopolar writing using voltage pulses of the same polarity. Since a high-quality (ie, single crystal) diode cannot be manufactured on a metal multilayer film, it is possible to integrate a memory cell formed by connecting a diode and a resistance memory element in series to form a resistance cross-point memory array. Impossible. Metal / insulator / metal (MIM) devices are not reliable even when operating at very low current densities, so the MIM current limiter cannot replace the diode. This MIM element reliability problem is caused by the deep trap state of the insulator and the catastrophic breakdown that occurs locally. However, a bidirectional Schottky structure can be formed by replacing the insulator with a semiconductor material.
MSM素子は双方向ショットキーダイオードとして機能する。電流密度は半導体に対する金属の障壁高さに依存する。MSM素子の直列抵抗は、半導体材料の膜厚と比抵抗を減少させることによって減少する。半導体の膜厚が薄過ぎると、素子のリーク電流が増加し、低バイアス時の電流が大きくなり過ぎて、実際のメモリセルへの応用には不適となる。尚、MSM素子の目的はメモリアレイ中の非選択メモリセルを流れる電流を制限することであるため、MSM素子のIV特性はゼロバイアス電圧近傍で対称である必要はない。従って、MSM電極は同じ材料である必要はない。 The MSM element functions as a bidirectional Schottky diode. The current density depends on the metal barrier height for the semiconductor. The series resistance of the MSM element is reduced by reducing the film thickness and specific resistance of the semiconductor material. If the thickness of the semiconductor is too thin, the leakage current of the element increases and the current at the time of low bias becomes too large, making it unsuitable for application to an actual memory cell. Since the purpose of the MSM element is to limit the current flowing through the non-selected memory cells in the memory array, the IV characteristics of the MSM element need not be symmetric around the zero bias voltage. Therefore, the MSM electrode need not be the same material.
〈本発明方法の説明〉
図9は、シリコン半導体からMSM構造の双方向ショットキーダイオード(MSMダイオード)を形成する方法(本発明方法)を模式的に示すフローチャートである。本発明方法は、説明を明瞭にするために、各工程に番号を付して番号順に示されているが、この工程番号は必ずしも工程の順序を決定付けるものではない。これらの工程は省略されたり、平行して行われたり、順序の厳守を要件とせずに行われることもある。例えば、一つの工程が、実質的に他の工程の一部となっている場合を含む。本発明方法はステップ900から始まる。
<Description of the method of the present invention>
FIG. 9 is a flowchart schematically showing a method (method of the present invention) for forming a bidirectional Schottky diode (MSM diode) having an MSM structure from a silicon semiconductor. In the method of the present invention, for the sake of clarity, the steps are numbered and shown in numerical order, but the step numbers do not necessarily determine the order of the steps. These steps may be omitted, performed in parallel, or performed without requiring strict ordering. For example, the case where one process is substantially a part of another process is included. The inventive method begins at
ステップ902では、下部電極と上部電極の間に挟持されるシリコン半導体層を堆積する。ステップ902のシリコン半導体層を堆積する工程では、非晶質シリコンまたは多結晶シリコン材料から選択される半導体層をCVD法またはDCスパッタリング法で形成する。ステップ904では、閾値電圧、降伏電圧、オン/オフ電流比を有するMSMダイオードを形成する。ステップ906では、シリコン半導体層の膜厚の制御に応じて、MSMダイオードの閾値電圧、降伏電圧、オン/オフ電流比を調整する。
In
一般に、ステップ902においてシリコン半導体層の膜厚を増加させると、閾値電圧と降伏電圧が増加するが(ステップ906)、オン/オフ電流比については最適な膜厚が存在する。最適な膜厚とは、大きなオン/オフ電流比が得られる膜厚を言う。ステップ902で、シリコン半導体層を当該最適膜厚(第1膜厚に相当)まで堆積させ、ステップ906で、MSMダイオードのオン/オフ電流比を調整する。この工程にはサブステップがある。ステップ902でシリコン半導体層の膜厚が最適膜厚よりも薄くなると、ステップ906aで、オン電流、オフ電流は共に増加する。ステップ902でシリコン半導体層の膜厚が最適膜厚よりも厚くなると、ステップ906bで、オン電流、オフ電流は共に減少する。
In general, when the film thickness of the silicon semiconductor layer is increased in
一実施形態において、ステップ902では、DCスパッタリング法を用いて非晶質シリコン半導体層を以下の手順で形成する。約20〜200℃の温度で基板を加熱し、約7.0〜9.0mTorrの範囲の堆積圧力を生成し、アルゴン雰囲気を用い、ターゲットとしてシリコンを用い、約100〜300Wの範囲の出力でスパッタリングして、非晶質シリコン半導体層を形成する。
In one embodiment, in
非晶質シリコン半導体層の形成に引き続いて、ステップ902では、DCスパッタリング法を用いた多結晶シリコン半導体層の形成を行う。550℃を超える温度でアニーリングを行い、結果として多結晶シリコン半導体層が形成される。
Subsequent to the formation of the amorphous silicon semiconductor layer, in
一実施形態では、ステップ902でDCスパッタリング出力を増加させる、或いは、基板温度を上げることにより、ステップ906において、閾値電圧が減少し、降伏電圧が増加し、オン/オフ電流比が減少する。
In one embodiment, increasing the DC sputtering power at
ステップ902で、0〜5%の範囲の酸素分圧を用いたDCスパッタリング法で非晶質シリコン半導体を形成すると、ステップ906で、酸素分圧の増加に応じて閾値電圧と降伏電圧が増加する。ステップ902で堆積させるシリコン半導体層の膜厚を考慮して、ステップ906で、酸素分圧の増加に応じてMSMダイオードのオン/オフ電流比を次のように調整する。シリコン半導体層の膜厚が(オン/オフ電流比に対して規定される)最適な膜厚よりも薄い時、オン/オフ電流比は減少する。同様に、シリコン半導体層の膜厚が最適膜厚よりも厚い時も、オン/オフ電流比は減少する。
In
ステップ902では、CVD法を用いてシリコン半導体層を以下のように形成することもできる。約40〜200sccm(標準状態換算cm3/分)の範囲の流量でシランを導入し、基板を約500〜600℃の範囲の温度で加熱し、約150〜250mTorrの範囲の堆積圧力を生成し、約10分〜6時間の範囲の時間で堆積を行い、シリコン半導体層を形成する。
In
他の実施形態では、ステップ903でシリコン半導体層をV族のドナー材料でドーピングする。次に、ステップ906で閾値電圧、降伏電圧、オン/オフ電流比を調整する。ここでは、ステップ903でのシリコン半導体層のドーピングが進むにつれて、閾値電圧を減少させ、降伏電圧を増加させる。
In another embodiment, in
ステップ902で堆積させるシリコン半導体層の膜厚を考慮して、ステップ906で、MSMダイオードのオン/オフ電流比をシリコン半導体層のドーピングに応じて次のように変更する。シリコン半導体層の膜厚が(オン/オフ電流比に対して規定される)最適な膜厚よりも薄い時、オン/オフ電流比は減少する。同様に、シリコンの膜厚が最適膜厚よりも厚い時も、オン/オフ電流比は減少する。
In consideration of the thickness of the silicon semiconductor layer deposited in
一実施形態において、ステップ903のシリコン半導体層のドーピングには2つのサブステップ903a、903bがある。サブステップ903aで、砒素を約30keVのエネルギ、1×1012atoms/cm2の注入量で注入し、サブステップ903bで、約500℃の温度で約10分間アニールする。他の実施形態では、ステップ902で、膜厚が約600〜1200nmの範囲の多結晶シリコン半導体層を形成する。次に、ステップ903で、シリコン半導体層をドーピングする。ステップ903にはサブステップ903a、903bに代わるサブステップ903c〜903eが設けられている。サブステップ903cで、ホウ素を約200keVのエネルギ、1×1013atoms/cm2の注入量で注入し、ステップ903dで、砒素を約30keVのエネルギ、2×1015atoms/cm2の注入量で注入し、ステップ903eで、約700℃〜900℃の温度で約30〜90分間アニールする。
In one embodiment, there are two sub-steps 903a, 903b in the doping of the silicon semiconductor layer in
図10は、本発明方法の別実施形態を示すフローチャートである。別実施形態の本発明方法はステップ1000から始まる。ステップ1002では、シリコン基板を提供する。ステップ1004では、シリコン基板上のPt層とそのPt層上のTiN層から成る下部電極を形成する。ステップ1006では、下部電極の上に10〜80nmの範囲の膜厚で非晶質シリコン半導体層を形成する。ステップ1008では、非晶質シリコン半導体層の上にTiN上部電極を形成する。ステップ1010では、約0.8〜2Vの範囲の閾値電圧と、約2.5〜6ボルトの範囲の降伏電圧を有するMSMダイオードを形成する。
FIG. 10 is a flowchart showing another embodiment of the method of the present invention. Another embodiment of the method of the invention begins at
一実施形態において、ステップ1006で形成される非晶質シリコン半導体層の膜厚は、約30nmである。次に、ステップ1010において、閾値電圧が約1.5V、降伏電圧が約3.5VのMSMダイオードを形成する。ステップ1010で形成するMSMダイオードのオン/オフ電流比は、印加電圧が1Vの場合における「オフ」電流密度が6×10−2A/cm2に対し、印加電圧が3Vの場合における「オン」電流密度が約1.5×102A/cm2であり、「オフ」電流密度に対する「オン」電流密度の比は、約3.5桁(103.5)である。
In one embodiment, the thickness of the amorphous silicon semiconductor layer formed in
別の実施形態において、ステップ1007で非晶質シリコン半導体層をV族のドナー材料でドーピングする。次に、ステップ1010で閾値電圧が約2〜3.5Vの範囲に、降伏電圧が約6〜12Vの範囲に調整されたMSMダイオードを形成する。ステップ1006で非晶質シリコン半導体層が約30nmの膜厚で形成されている場合、ステップ1010では閾値電圧が約2.5Vで降伏電圧が約6Vに調整されたMSMダイオードが形成される。
In another embodiment, in
以上、シリコン半導体から形成されるMSM構造の双方向ショットキーダイオード(本発明素子)、及び、その製造プロセス(本発明方法)について説明した。本発明を説明するために、プロセスの詳細について例を挙げた。同様に抵抗メモリ装置を応用の一例として示したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。 The bidirectional Schottky diode (the element of the present invention) having an MSM structure formed from a silicon semiconductor and the manufacturing process (the method of the present invention) have been described above. In order to illustrate the present invention, examples of process details were given. Similarly, although the resistance memory device is shown as an example of application, the present invention is not limited to these examples.
100: 本発明に係る金属/半導体/金属の積層構造を有する双方向ショットキーダイオード
102: シリコン基板
104: 下部電極(BE)
106: Pt層
108: TiN層
110: 非晶質シリコン半導体層
112: シリコン半導体層の膜厚
114: TiN上部電極(TE)
200: 抵抗メモリ装置のメモリセル
202: 抵抗メモリ素子の下部電極(MRBE)
204: メモリ抵抗材料(MR)
100: Bidirectional Schottky diode having a metal / semiconductor / metal laminate structure according to the present invention 102: Silicon substrate 104: Lower electrode (BE)
106: Pt layer 108: TiN layer 110: Amorphous silicon semiconductor layer 112: Silicon semiconductor layer thickness 114: TiN upper electrode (TE)
200: Memory cell of resistance memory device 202: Lower electrode (MRBE) of resistance memory element
204: Memory resistance material (MR)
Claims (26)
下部電極と上部電極との間に挟持されるシリコン半導体層を堆積する工程と、
閾値電圧、降伏電圧、及び、オン/オフ電流比を有する前記双方向ショットキーダイオードを形成する工程と、
前記双方向ショットキーダイオードの前記閾値電圧、前記降伏電圧、及び、前記オン/オフ電流比を前記シリコン半導体層の膜厚の制御によって調整する工程と、
を備えることを特徴とする双方向ショットキーダイオードの形成方法。 A method of forming a bidirectional Schottky diode having a metal / semiconductor / metal laminate structure from a silicon semiconductor,
Depositing a silicon semiconductor layer sandwiched between a lower electrode and an upper electrode;
Forming the bidirectional Schottky diode having a threshold voltage, a breakdown voltage, and an on / off current ratio;
Adjusting the threshold voltage, the breakdown voltage, and the on / off current ratio of the bidirectional Schottky diode by controlling the thickness of the silicon semiconductor layer;
A method for forming a bidirectional Schottky diode, comprising:
シリコンターゲットを用い、
約100〜300Wの範囲の出力でスパッタリングし、
約20〜200℃の温度で基板を加熱し、
約7.0〜9.0mTorrの範囲の堆積圧力を生成し、
アルゴン雰囲気を用いて、
約7〜150分の範囲の時間で堆積を行い、
非晶質シリコンを形成することを特徴とする請求項3に記載の双方向ショットキーダイオードの形成方法。 In the step of depositing the silicon semiconductor layer, when the silicon semiconductor layer of amorphous silicon is formed using the DC sputtering method,
Using a silicon target,
Sputtering with an output in the range of about 100-300 W,
Heating the substrate at a temperature of about 20-200 ° C .;
Producing a deposition pressure in the range of about 7.0 to 9.0 mTorr;
Using an argon atmosphere,
Deposits in a time in the range of about 7 to 150 minutes,
4. The method of forming a bidirectional Schottky diode according to claim 3, wherein amorphous silicon is formed.
前記非晶質シリコンの形成に続いて、550℃を超える温度でアニーリングを行い、
多結晶シリコンを形成することを特徴とする請求項4に記載の双方向ショットキーダイオードの形成方法。 In the step of depositing the silicon semiconductor layer, when the silicon semiconductor layer of polycrystalline silicon is formed using the DC sputtering,
Following the formation of the amorphous silicon, annealing is performed at a temperature exceeding 550 ° C.
5. The method of forming a bidirectional Schottky diode according to claim 4, wherein polycrystalline silicon is formed.
前記双方向ショットキーダイオードの前記閾値電圧、前記降伏電圧、及び、前記オン/オフ電流比を調整する工程において、前記酸素分圧の増加に応じて、前記閾値電圧及び前記降伏電圧を増加させることを特徴とする請求項4に記載の双方向ショットキーダイオードの形成方法。 In the step of depositing the silicon semiconductor layer, when the silicon semiconductor layer of amorphous silicon is formed using the DC sputtering method, an oxygen partial pressure in the range of 0 to 5% is used.
In the step of adjusting the threshold voltage, the breakdown voltage, and the on / off current ratio of the bidirectional Schottky diode, the threshold voltage and the breakdown voltage are increased according to an increase in the oxygen partial pressure. The method of forming a bidirectional Schottky diode according to claim 4.
前記酸素分圧の増加に応じて、前記双方向ショットキーダイオードの前記オン/オフ電流比を調整する工程において、
前記シリコン半導体層の膜厚が前記第1膜厚より薄い場合、前記オン/オフ電流比が減少し、
前記シリコン半導体層の膜厚が前記第1膜厚より厚い場合、前記オン/オフ電流比が減少することを特徴とする請求項8に記載の双方向ショットキーダイオードの形成方法。 In the step of depositing the silicon semiconductor layer, when forming the silicon semiconductor layer with a first film thickness as a reference film thickness,
In the step of adjusting the on / off current ratio of the bidirectional Schottky diode according to an increase in the oxygen partial pressure,
When the film thickness of the silicon semiconductor layer is smaller than the first film thickness, the on / off current ratio decreases,
9. The method of forming a bidirectional Schottky diode according to claim 8, wherein the on / off current ratio decreases when the thickness of the silicon semiconductor layer is larger than the first thickness.
前記双方向ショットキーダイオードの前記オン/オフ電流比を変更する工程において、
前記シリコン半導体層の膜厚が前記第1膜厚を下回って減少するのに応じて、オン電流とオフ電流の両方が増加し、
前記シリコン半導体層の膜厚が前記第1膜厚を上回って増加するのに応じて、オン電流とオフ電流の両方が減少することを特徴とする請求項10に記載の双方向ショットキーダイオードの形成方法。 In the step of depositing the silicon semiconductor layer, when forming the silicon semiconductor layer with a first film thickness as a reference film thickness,
In the step of changing the on / off current ratio of the bidirectional Schottky diode,
As the film thickness of the silicon semiconductor layer decreases below the first film thickness, both on-current and off-current increase,
11. The bidirectional Schottky diode according to claim 10, wherein both the on-current and the off-current decrease as the thickness of the silicon semiconductor layer increases beyond the first thickness. Forming method.
化学気相成長法を堆積方法として用いて、
標準状態換算で約40〜200cm3/分の範囲の流量でシランを流入し、
約500〜600℃の範囲の温度で基板を加熱し、
約150〜250mTorrの範囲の堆積圧力を生成し、
約10分〜6時間の範囲の時間で堆積させることによって、前記シリコン半導体層の堆積を行うことを特徴とする請求項3に記載の双方向ショットキーダイオードの形成方法。 In the step of depositing the silicon semiconductor layer,
Using chemical vapor deposition as the deposition method,
Silane is introduced at a flow rate in the range of about 40 to 200 cm 3 / min in terms of standard conditions,
Heating the substrate at a temperature in the range of about 500-600 ° C;
Producing a deposition pressure in the range of about 150-250 mTorr;
4. The method of forming a bidirectional Schottky diode according to claim 3, wherein the silicon semiconductor layer is deposited by deposition for a time in a range of about 10 minutes to 6 hours.
前記双方向ショットキーダイオードの前記閾値電圧、前記降伏電圧、及び、前記オン/オフ電流比を調整する工程において、前記シリコン半導体層のドーピング量が増加するのに応じて、前記閾値電圧を減少させ、前記降伏電圧を増加させることを特徴とする請求項12に記載の双方向ショットキーダイオードの形成方法。 Further comprising doping the silicon semiconductor layer with a Group V donor material;
In the step of adjusting the threshold voltage, the breakdown voltage, and the on / off current ratio of the bidirectional Schottky diode, the threshold voltage is decreased as the doping amount of the silicon semiconductor layer increases. 13. The method of forming a bidirectional Schottky diode according to claim 12, wherein the breakdown voltage is increased.
前記シリコン半導体層のドーピングに応じて、前記双方向ショットキーダイオードの前記オン/オフ電流比を変更する工程において、
前記シリコン半導体層の膜厚が前記第1膜厚より薄い場合、前記オン/オフ電流比が減少し、
前記シリコン半導体層の膜厚が前記第1膜厚より厚い場合、前記オン/オフ電流比が減少することを特徴とする請求項13に記載の双方向ショットキーダイオードの形成方法。 In the step of depositing the silicon semiconductor layer, when forming the silicon semiconductor layer with a first film thickness as a reference film thickness,
In the step of changing the on / off current ratio of the bidirectional Schottky diode according to the doping of the silicon semiconductor layer,
When the film thickness of the silicon semiconductor layer is smaller than the first film thickness, the on / off current ratio decreases,
14. The method of forming a bidirectional Schottky diode according to claim 13, wherein the on / off current ratio decreases when the thickness of the silicon semiconductor layer is larger than the first thickness.
砒素を約30keVのエネルギで、約1×1012atoms/cm2の注入量で注入し、
約10分間、約500℃の温度でアニーリングすることを特徴とする請求項13に記載の双方向ショットキーダイオードの形成方法。 In the step of doping the silicon semiconductor layer,
Arsenic is implanted with an energy of about 30 keV and an implantation amount of about 1 × 10 12 atoms / cm 2 ;
The method of forming a bidirectional Schottky diode according to claim 13, wherein annealing is performed at a temperature of about 500 ° C. for about 10 minutes.
前記シリコン半導体層をドーピングする工程において、
ホウ素を約200keVのエネルギで、約1×1013atoms/cm2の注入量で注入し、
砒素を約30keVのエネルギで、約2×1015atoms/cm2の注入量で注入し、
約700〜900℃の範囲の温度で約30〜90分間アニーリングすることを特徴とする請求項13に記載の双方向ショットキーダイオードの形成方法。 In the step of depositing the silicon semiconductor layer, a polycrystalline silicon semiconductor layer having a film thickness in the range of about 600 to 1200 nm is formed,
In the step of doping the silicon semiconductor layer,
Boron is implanted with an energy of about 200 keV and an implantation amount of about 1 × 10 13 atoms / cm 2 ;
Arsenic is implanted with an energy of about 30 keV and an implantation amount of about 2 × 10 15 atoms / cm 2 ;
14. The method of forming a bidirectional Schottky diode according to claim 13, wherein annealing is performed at a temperature in the range of about 700 to 900 [deg.] C. for about 30 to 90 minutes.
シリコン基板を提供する工程と、
前記基板上のPt層と前記Pt層上のTiN層で下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に非晶質シリコン半導体層を、10〜80nmの範囲の膜厚で形成する工程と、
前記非晶質シリコン半導体層上にTiN上部電極を形成する工程と、
約0.8〜2Vの範囲の閾値電圧と、約2.5〜6Vの降伏電圧を有する双方向ショットキーダイオードを形成する工程と、
を備えることを特徴とする双方向ショットキーダイオードの形成方法。 A method of forming a bidirectional Schottky diode having a metal / semiconductor / metal laminate structure from a silicon semiconductor,
Providing a silicon substrate;
Forming a lower electrode with a Pt layer on the substrate and a TiN layer on the Pt layer;
Forming an amorphous silicon semiconductor layer on the lower electrode with a thickness in the range of 10 to 80 nm;
Forming a TiN upper electrode on the amorphous silicon semiconductor layer;
Forming a bidirectional Schottky diode having a threshold voltage in the range of about 0.8-2V and a breakdown voltage of about 2.5-6V;
A method for forming a bidirectional Schottky diode, comprising:
前記双方向ショットキーダイオードを形成する工程において、約1.5Vの閾値電圧と約3.5Vの降伏電圧を有する双方向ショットキーダイオードを形成することを特徴とする請求項17に記載の双方向ショットキーダイオードの形成方法。 In the step of forming the amorphous silicon semiconductor layer, an amorphous silicon film is formed with a thickness of about 30 nm,
18. The bidirectional Schottky diode according to claim 17, wherein forming the bidirectional Schottky diode includes forming a bidirectional Schottky diode having a threshold voltage of about 1.5V and a breakdown voltage of about 3.5V. Method for forming Schottky diode.
前記双方向ショットキーダイオードを形成する工程において、約2〜3.5Vの範囲の閾値電圧と、約6〜12Vの範囲の降伏電圧を有する双方向ショットキーダイオードを形成することを特徴とする請求項17に記載の双方向ショットキーダイオードの形成方法。 Further comprising doping the amorphous silicon semiconductor layer with a Group V donor material;
Forming the bidirectional Schottky diode to form a bidirectional Schottky diode having a threshold voltage in a range of about 2 to 3.5 V and a breakdown voltage in a range of about 6 to 12 V; Item 18. A method for forming a bidirectional Schottky diode according to Item 17.
前記双方向ショットキーダイオードを形成する工程において、約2.5Vの閾値電圧と、約6Vの降伏電圧を有する双方向ショットキーダイオードを形成することを特徴とする請求項20に記載の双方向ショットキーダイオードの形成方法。 In the step of forming the amorphous silicon semiconductor layer, an amorphous silicon film is formed with a thickness of about 30 nm,
21. The bidirectional shot of claim 20, wherein forming the bidirectional Schottky diode includes forming a bidirectional Schottky diode having a threshold voltage of about 2.5V and a breakdown voltage of about 6V. Method for forming a key diode.
シリコン基板と、
前記基板上のPt層、及び、前記Pt層上のTiN層から成る下部電極と、
前記下部電極上に形成された10〜80nmの範囲の膜厚を有する非晶質シリコン半導体層と、
前記非晶質シリコン半導体層上に形成されたTiN上部電極と、
を備えることを特徴とする双方向ショットキーダイオード。 A bidirectional Schottky diode having a metal / semiconductor / metal laminate structure formed of a silicon semiconductor,
A silicon substrate;
A lower electrode comprising a Pt layer on the substrate and a TiN layer on the Pt layer;
An amorphous silicon semiconductor layer formed on the lower electrode and having a thickness in the range of 10 to 80 nm;
A TiN upper electrode formed on the amorphous silicon semiconductor layer;
A bidirectional Schottky diode comprising:
前記双方向ショットキーダイオードが、約1.5Vの閾値電圧、約3.5Vの降伏電圧、及び、前記下部電極と前記上部電極間の印加電圧が1Vで約6×10-2A/cm2のオフ電流に対して前記下部電極と前記上部電極間の印加電圧が3Vで約1.5×102A/cm2のオン電流となるオン/オフ電流比を有することを特徴とする請求項22に記載の双方向ショットキーダイオード。 The amorphous silicon semiconductor layer has a thickness of about 30 nm;
The bidirectional Schottky diode has a threshold voltage of about 1.5V, a breakdown voltage of about 3.5V, and an applied voltage between the lower electrode and the upper electrode of about 6 × 10 −2 A / cm 2 at 1V. The on-off current ratio is such that an applied voltage between the lower electrode and the upper electrode is 3 V and an on-current is about 1.5 × 10 2 A / cm 2 with respect to an off-state current of about 1.5 × 10 2. 23. A bidirectional Schottky diode according to 22.
前記双方向ショットキーダイオードが、約2〜3.5Vの範囲の閾値電圧、及び、約6〜12Vの降伏電圧を有することを特徴とする請求項22に記載の双方向ショットキーダイオード。 The amorphous silicon semiconductor layer includes a dopant material of a group V element that serves as a donor,
23. The bidirectional Schottky diode of claim 22, wherein the bidirectional Schottky diode has a threshold voltage in the range of about 2 to 3.5V and a breakdown voltage of about 6 to 12V.
前記双方向ショットキーダイオードが、約2.5Vの閾値電圧、及び、約6Vの降伏電圧を有することを特徴とする請求項25に記載の双方向ショットキーダイオード。 The amorphous silicon semiconductor layer has a thickness of about 30 nm;
26. The bidirectional Schottky diode of claim 25, wherein the bidirectional Schottky diode has a threshold voltage of about 2.5V and a breakdown voltage of about 6V.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20100706 |