JP2008153633A - 抵抗性メモリ素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】抵抗性メモリ素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】抵抗性メモリ素子は、トランジスタのソース202またはドレイン203上の層間絶縁膜206を貫通して形成されたコンタクトプラグ207と、コンタクトプラグ207に接続された下部電極21と、下部電極21上に遷移金属固溶体で形成された固溶層24と、固溶層24上に形成された遷移金属酸化物による抵抗層22と、抵抗層22上に形成された上部電極23と、を備える。これにより、電圧及び抵抗特性が安定化した信頼性のあるメモリ素子を具現できる。
【選択図】図3

Description

本発明は、抵抗性メモリ素子に係り、特に抵抗性メモリ素子の電極と抵抗層との間に遷移金属固溶体を形成させて電圧及び抵抗散布を安定化した遷移金属固溶体を含む抵抗性メモリ素子に関する。
一般的に、半導体メモリアレイ構造は、回路的に連結された多くのメモリセルを含む。代表的な半導体メモリであるDRAM(Dynamic Random Access Memory)の場合、単位メモリセルは、一つのスイッチと一つのキャパシタとで構成されることが一般的である。DRAMは、集積度が高く、動作速度が速いという利点がある。しかし、電源がターンオフされた後には、保存されたデータがいずれも消失されるという短所がある。
電源がターンオフされた後にも、保存されたデータが保存可能な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、揮発性メモリとは異なり、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、動作速度が遅いという短所がある。
現在、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、MRAM(Magnetic RAM)、FRAM(Ferroelectric RAM)及びPRAM(Phase−change RAM)などがある。
MRAMは、トンネル接合での磁化方向の変化を利用し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利用してデータを保存する方式である。それらは、それぞれの長短所を有しているが、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好な方向に研究開発されている。
PRAMは、特定の物質の相変化による抵抗値の変化を利用してデータを保存する方式を利用したものであって、一つの抵抗体と一つのスイッチ(トランジスタ)とを有した構造を有している。PRAMの製造時に従来のDRAM工程を利用する場合、エッチングが困難であり、エッチングする場合でも長時間を要する。したがって、生産性が低くなり、製品コストが高くなって競争力を低下させるという短所がある。
抵抗性メモリ、すなわちRRAM(Resistance RAM)は、主に遷移金属酸化物の電圧による抵抗値が変わる特性(抵抗変換特性)を利用したものであって、図1Aには、従来の一般的な構造の抵抗変換物質を利用したメモリ素子の構造を示した。
図1Aに示すように、抵抗性メモリは、基本的に下部電極11、下部電極11上に順次に形成された抵抗層12及び上部電極13を備える。抵抗層は、遷移金属酸化物で形成されることが一般的である。そして、下部電極11と上部電極13とは、通常的な半導体メモリ素子に使われる電極物質で形成される。
図1Bは、図1Aの構造のメモリ素子の下部電極11及び上部電極13を通じて所定の電圧を印加した場合、抵抗層12に流れる電流値を表したV(voltage)−I(current)グラフである。ここで、抵抗層12は、前述したように遷移金属酸化物で形成させたものである。
図1Bに示すように、電圧を0Vから次第に上昇させ、抵抗層12に流れる電流値の変化を測定する実験を反復した。0Vないし約1Vの印加電圧で抵抗層12に流れる電流値は次第に増加する。約1Vの電圧で抵抗が大きく上昇して電流値が大きく減少し、電圧を上昇させれば、再び電流値が増加する。ここで、高い抵抗状態をリセット状態といい、低い抵抗状態をセット状態という。
図1Bの場合、セット状態からリセット状態に変わるときの電圧、すなわちリセット電圧RVの大きさは、約0.6Vないし1.2Vの値を有するということが分かる。また、セット状態の抵抗値SRの最低値と最高値との差が10倍以上であるということが分かる。そして、リセット状態からセット状態に変わるときの電圧であるセット電圧SVは、1.5Vないし4.6Vと非常に大きい散布値を有するということが分かる。
前述したように、従来技術による抵抗性メモリの電圧及び抵抗散布が大きい理由は、抵抗層12の抵抗レベルが不安定であるために発生したものである。セット、リセット電圧などの不安定により、メモリ素子として使用時に信頼度が低下するという問題点がある。
本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決するために、抵抗変換物質を含むメモリ素子のリセット電流及びセット電圧を安定化させる構造を有した抵抗性メモリ素子及びその製造方法を提供するところにある。
前記目的を達成するために、本発明では、抵抗性メモリ素子において、下部電極と、前記下部電極上に形成された固溶層と、前記固溶層上に形成された抵抗層と、前記抵抗層上に形成された上部電極と、を備える抵抗性メモリ素子を提供する。
本発明において、前記固溶層は、遷移金属固溶体であることを特徴とする。
本発明において、前記抵抗層は、遷移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、前記遷移金属酸化物は、Ni酸化物、Ti酸化物、Hf酸化物、Zr酸化物、Zn酸化物、W酸化物、Co酸化物またはNb酸化物のうち少なくともいずれか一つの物質を含むことを特徴とする。
本発明において、前記固溶層は、Al,Hf,Zr,Zn,W,Co,Au,Pt,Ru,IrまたはTiを含むことを特徴とする。
本発明において、前記固溶層は、Al,Hf,Zr,Zn,W,Co,Au,Pt,Ru,IrまたはTiに前記抵抗層の遷移金属が固溶されたことを特徴とする。
本発明において、前記抵抗層の遷移金属は、Niであることを特徴とする。
また、本発明では、抵抗性メモリ素子の製造方法において、(a)下部電極を形成するステップと、(b)前記下部電極上に固溶層を形成するステップと、(c)前記固溶層上に抵抗層を形成するステップと、(d)前記抵抗層上に上部電極を形成するステップと、を含む抵抗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(b)ステップは、前記下部電極上に遷移金属合金ターゲットをスパッタリングにより蒸着して固溶層を形成することを特徴とする。
本発明において、前記(b)ステップは、前記下部電極上に遷移金属ターゲットをコスパッタリングにより蒸着して固溶層を形成することを特徴とする。
本発明において、前記(b)ステップは、前記抵抗層を形成させつつ工程チャンバー内のガスの圧力を制御することによって、固溶層を形成することを特徴とする。
本発明において、前記ガスの圧力は、0.1mTorrないし3mTorrであることを特徴とする。
本発明によれば、次のような長所を有している。
第1に、抵抗性メモリの動作時に安定したセット電圧、リセット電圧及び抵抗特性を有するので、信頼性のあるメモリ素子を提供できる。
第2に、固溶層を別途の工程で形成でき、抵抗層の形成過程で容易に製造できる。
第3に、単純な方法で情報を保存して再生できるので、高速の動作特性を有する。
以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態による抵抗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。ここで、図面に示した各層または領域の厚さ及び幅は、説明のために誇張されて示したものであることを銘記せねばならない。
図2Aは、本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子の構造を示す図面である。
図2Aに示すように、下部電極21上に固溶層24が形成されており、固溶層24上に抵抗層22及び上部電極23が順次に形成されている。下部電極21及び上部電極23は、通常的に半導体素子に使われる電極物質を使用でき、例えばAl,Hf,Zr,Zn,W,Co,Au,Pt,Ru,IrまたはTiなどがある。抵抗層22は、抵抗性メモリ素子に使われる物質で形成させ、通常的に遷移金属酸化物で形成させる。例えば、Ni酸化物、Ti酸化物、Hf酸化物、Zr酸化物、Zn酸化物、W酸化物、Co酸化物またはNb酸化物などがあり、具体的にNiO,TiO,HfO,ZrO,ZnO,WO,CoOまたはNbのうち少なくともいずれか一つの物質またはそれらの化合物を含む。
本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子では、下部電極21と抵抗層22との間に固溶層24を備える。固溶層24は、遷移金属固溶体で形成されたことを特徴とする。例えば、Al,Hf,Zr,Zn,W,Co,Au,Pt,Ru,IrまたはTiなどに抵抗層22の遷移金属が固溶された固溶体として形成される。具体的に、抵抗層22をNi酸化物で形成させる場合、固溶層24は、Al,Hf,Zr,Zn,W,Co,Au,Pt,Ru,IrまたはTiなどにNiが固溶された状態に形成される。
図2Bは、本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子の構造を示す図面である。図2Bに示すように、固溶層24は、下部電極21上に形成され、抵抗層22の内部に突出した領域Aを備えるウェーブ構造を有している。突出した領域Aは、下部電極21と上部電極23との間に電圧を印加するとき、電流が移動する経路となりうる。具体的に説明すれば、図1Aのような構造の抵抗性メモリの場合、両側電極を通じて電圧を印加する場合、電流移動経路が変わりつつ安定した抵抗特性が表れない。これに対し、固溶層24の突出した領域Aが形成されることによって、上部電極23との距離が短縮した領域が存在して安定な電流移動通路が発生して抵抗性メモリの抵抗特性を安定に測定できる。
図2Aに示した抵抗性メモリ構造は、トランジスタまたはダイオードのようなスイッチ構造と連結された1S(switch)−1R(Resistance)形態に駆動する。図3では、本発明の実施形態による遷移金属固溶体を含む抵抗性メモリ素子がトランジスタ構造と連結された1T(transistor)−1R(resistance)構造を示す断面図である。
図3に示すように、ソース202及びドレイン203が形成された基板201上には、ソース202及びドレイン203と接触するゲート構造体が形成されている。ゲート構造体は、ゲート絶縁層204及びゲート電極層205が形成されている。基板201及びゲート構造体上には、層間絶縁膜206が形成されており、ソース202またはドレイン203上の層間絶縁膜206を貫通してコンタクトプラグ207が形成されている。コンタクトプラグは、本発明の実施形態による遷移金属固溶体を含む抵抗性メモリ素子の下部電極21と電気的に連結されている。また、トランジスタ構造体以外にp型半導体層とn型半導体層とで形成されたダイオード構造体が連結されることは前述した通りである。
以下、本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子の製造方法について説明する。本発明の実施形態による遷移金属固溶体を含む抵抗性メモリ素子は、スパッタリング、ALD(Atomic Layer Deposition)またはCVD(Chemical Vapor Deposition)工程を利用して形成させる。
まず、下部構造体、例えば基板上に下部電極21を形成する。下部電極21は、伝導性物質で形成され、望ましくは、Al,Au,Pt,Ru,IrまたはTiなどの遷移金属で形成される。
下部電極21を形成した後、その上部に固溶層24を形成する。固溶層24を形成させる方法は、三つに分けられる。
第1に、固溶状態の合金を下部電極21上に直接形成する方法である。これは、例えば反応性スパッタリング工程で固溶層24を形成する場合、組成が調節されたPt及びNi合金ターゲットをスパッタリングして固溶層24を形成できる。
第2に、固溶層24を形成する物質それぞれを別個のターゲットでコスパッタリングして固溶層24を形成できる。
第3に、抵抗層22を形成する過程で固溶層24を形成できる。例えば、固溶層24をPtにNiが固溶された合金で形成させようとする場合に、まず、下部電極21をPtで形成する。そして、抵抗層22を形成するために、Ni酸化物を蒸着しつつ、初期に工程チャンバー内の酸素を含むガスの圧力を0.1ないし3mTorrの非常に低い範囲に調節すれば、下部電極21の表面のPtがNiと反応して固溶層24が形成される。工程チャンバー内の気圧を0.1ないし3mTorr範囲に制御する場合、酸素の供給が大きく減少するので、Niを下部電極であるPtと反応させることによって、下部電極21の表面に固溶層24を形成させる。
固溶層24を形成した後、固溶層24上には、抵抗層22を形成させる。抵抗層22は、遷移金属酸化物で形成され、遷移金属酸化物の形成時に酸素分圧を調節して形成する。
図4は、雰囲気ガスとしてArのような不活性ガス及び酸素の混合ガスで酸素の分圧による抵抗値の変化を示す図面である。図4に示すように、酸素の分圧が非常に低い場合(A領域)は、一般的なNiと類似した金属特性を有するが、酸素の分圧を約2.5ないし10%に次第に上昇させた場合(B領域)、抵抗値が大きく増加してメモリスイッチング特性を有するということが分かる。酸素を10%以上に上昇させれば(C領域)、抵抗値は順次に減少しつつしきいスイッチング特性を有する。薄膜製造工程時には、同じ遷移金属をスパッタリングなどにより試片上に蒸着させつつ、反応チャンバー内の酸素ガスの投入量を適切に調節することによって、in−situで簡単に形成させる。Ni酸化物以外の遷移金属酸化物も、類似した特性を表す。
図5は、本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子の製造方法で形成された素子に対して測定されたXRD(X−Ray Diffraction)グラフである。図5に使われた試片は、抵抗層22を形成する過程で工程チャンバー内の圧力を調節しつつ固溶層24を形成したものであって、DC(Direction Current)及びRF(Radio Frequency)スパッタリング工程でチャンバー内の圧力を1.5mT及び5mTに設定して形成したものである。図5に示すように、チャンバー内の圧力を1.5mTに設定して形成した場合、Pt/Ni固溶層が形成されて関連ピークが表れるということが分かる。一方、5mTの圧力範囲では、Pt/Ni固溶層に関するピークが観察されないということが分かる。
図6A及び図6Bは、従来技術及び本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子のXPS(X−ray Photo electron Spectroscopy)グラフである。図6Aは、固溶層を備えない抵抗性メモリに関するものであり、図6Bは、固溶層を備えた本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子に関するものである。図6Aに示すように、Ni酸化物及びNiが同じレベルで観測されるということが分かる。図6Bに示すように、図6Aに比べてNiが高いレベルでも観測される。これは、抵抗層22の下部でもNiが存在し、これは、固溶層24に含まれたNiであるということが分かる。
図7A及び図7Bは、従来技術及び本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子の動作回数による電圧値を示す図面であって、電圧散布特性を示すグラフである。図7Aは、固溶層を備えない抵抗性メモリに関するものであり、図7Bは、固溶層を備えた本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子に関するものである。図7Aに示すように、セット電圧及びリセット電圧の偏差が大きく、特にセット電圧の偏差は、非常に大きく発生するということが分かる。かかる特性を有する場合、動作回数が多くなれば、メモリとしての信頼性が非常に低下する。一方、図7Bの場合、セット電圧及びリセット電圧が非常に安定化して偏差がほとんど発生しないということを確認できる。
図8A及び図8Bは、従来技術及び本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子の動作回数による抵抗値を示す図面であって、抵抗散布特性を示すグラフである。図8Aは、固溶層を備えない抵抗性メモリに関するものであり、図8Bは、固溶層を備えた本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子に関するものである。図8A及び図8Bに示すように、本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子の場合、抵抗値の偏差が従来技術による抵抗性メモリ素子に比べて相対的に非常に小さくて安定したということが分かる。
図9は、本発明の抵抗性メモリ素子の動作特性を単純化して示すグラフである。ここで、横軸は、印加電圧を表し、縦軸は、印加電圧に対する電流値を表す。図9に示すように、電圧を0Vから次第に上昇させれば、電圧に比例してGグラフに沿って電流値が増加するということが分かる。しかし、V以上の電圧を加えれば、抵抗が突然に増加して電流値が減少する現象を表す。VないしV範囲の印加電圧では、電流値がGグラフに沿って増加する。そして、V(V>V)以上の電圧を加えれれば、抵抗が突然に減少して電流が増加して再びGグラフに沿うということが分かる。
一方、Vより高い電圧範囲で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以後のVより低い電圧印加時の電気的特性に影響を及ぼすが、それを詳細に説明すれば、次の通りである。まず、VないしV範囲の電圧をメモリ素子に印加した後、Vより低い電圧を再び印加すれば、測定される電流は、Gグラフによる電流値が測定される。一方、Vより高い範囲の電圧(例えば、V)をメモリ素子に印加した後、Vより低い電圧を再び印加すれば、測定される電流は、図8のGグラフに沿う電流値が測定される。これを通じて、Vより高い電圧範囲で印加する電圧の大きさ(VないしV範囲またはVより高い範囲)によってメモリ素子に及ぼす電気的特性が影響を及ぼすということが分かる。したがって、かかる結果を通じて、遷移金属酸化物をメモリ素子に使用して抵抗勾配を有した多層膜を不揮発性メモリ素子に応用できるということが分かる。例えば、図9のVないしV範囲で電圧を印加した場合のメモリ素子の状態を“0”に指定し、Vより高い範囲の電圧を印加した場合のメモリ素子の状態を“1”に指定してデータを記録する。データを再生する場合には、Vより低い範囲の電圧を印加してドレイン電流値Idを測定して、メモリ素子に保存されたデータが“0”の状態であるか、“1”の状態であるかが分かる。もちろん、ここで、状態“1”及び“0”の指定は選択的なものである。
結果的に、抵抗性メモリ素子として使われるためには、動作回数が増加するにつれてリセット電圧V及びセット電圧Vが一定でなければならず、セット抵抗も一定であることが望ましい。図7B及び図8Bに示したように、本発明の実施形態による遷移金属固溶体を利用した抵抗性メモリ素子の場合、セット電圧、リセット電圧及び抵抗値が一定であるので、安定な特性を有するということが分かる。
前記した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、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態により決まるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決まらねばならない。
本発明は、抵抗性メモリ素子関連の技術分野に適用可能である。
一般的な構造の抵抗変換物質を含む抵抗性メモリ素子の構造を示す図面である。 図1Aの構造の抵抗変換物質を含む抵抗性メモリ素子の印加電圧に対する電流値の変化を示す図面である。 本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子の構造を示す図面である。 本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子の構造を示す図面である。 本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子をトランジスタ構造体上に形成させたメモリ素子の構造を示す図面である。 Ni酸化物の酸素分圧の変化による抵抗特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子の製造工程時に気体分圧を調節して形成させた試片に対するXRDグラフである。 従来技術による抵抗性メモリ素子のXPSグラフである。 本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子のXPSグラフである。 従来技術による抵抗性メモリ素子の電圧散布特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子の電圧散布特性を示すグラフである。 従来技術による抵抗性メモリ素子の抵抗散布特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による抵抗性メモリ素子の抵抗散布特性を示すグラフである。 抵抗変換物質を含むメモリ素子の電気的な特性を単純化して示すグラフである。
符号の説明
21 下部電極
22 抵抗層
23 上部電極
24 固溶層
201 基板
202 第1不純物領域
203 第2不純物領域
204 ゲート絶縁層
205 ゲート電極層
206 層間絶縁層
207 伝導性プラグ

Claims (16)

  1. 抵抗性メモリ素子において、
    下部電極と、
    前記下部電極上に形成された固溶層と、
    前記固溶層上に形成された抵抗層と、
    前記抵抗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抵抗性メモリ素子。
  2. 前記固溶層は、遷移金属固溶体であることを特徴とする請求項1に記載の抵抗性メモリ素子。
  3. 前記抵抗層は、遷移金属酸化物で形成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の抵抗性メモリ素子。
  4. 前記遷移金属酸化物は、Ni酸化物、Ti酸化物、Hf酸化物、Zr酸化物、Zn酸化物、W酸化物、Co酸化物またはNb酸化物のうち少なくともいずれか一つの物質を含むことを特徴とする請求項3に記載の抵抗性メモリ素子。
  5. 前記固溶層は、Al,Hf,Zr,Zn,W,Co,Au,Pt,Ru,IrまたはTiを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の抵抗性メモリ素子。
  6. 前記固溶層は、Al,Hf,Zr,Zn,W,Co,Au,Pt,Ru,IrまたはTiに前記抵抗層の遷移金属が固溶されたことを特徴とする請求項1または2に記載の抵抗性メモリ素子。
  7. 前記抵抗層の遷移金属は、Niであることを特徴とする請求項6に記載の抵抗性メモリ素子。
  8. 抵抗性メモリ素子の製造方法において、
    (a)下部電極を形成するステップと、
    (b)前記下部電極上に固溶層を形成するステップと、
    (c)前記固溶層上に抵抗層を形成するステップと、
    (d)前記抵抗層上に上部電極を形成するステップと、を含むことを特徴とする抵抗性メモリ素子の製造方法。
  9. 前記固溶層は、遷移金属固溶体を含んで形成することを特徴とする請求項8に記載の抵抗性メモリ素子の製造方法。
  10. 前記(b)ステップは、前記下部電極上に遷移金属合金ターゲットをスパッタリングにより蒸着して固溶層を形成することを特徴とする請求項8に記載の抵抗性メモリ素子の製造方法。
  11. 前記(b)ステップは、前記下部電極上に遷移金属ターゲットをコスパッタリングにより蒸着して固溶層を形成することを特徴とする請求項8に記載の抵抗性メモリ素子の製造方法。
  12. 前記(b)ステップは、前記抵抗層を形成させつつ工程チャンバー内のガスの圧力を制御することによって、固溶層を形成することを特徴とする請求項8に記載の抵抗性メモリ素子の製造方法。
  13. 前記ガスの圧力は、0.1mTorrないし3mTorrであることを特徴とする請求項12に記載の抵抗性メモリ素子の製造方法。
  14. 前記固溶層は、Al,Hf,Zr,Zn,W,Co,Au,Pt,Ru,IrまたはTiを含んで形成することを特徴とする請求項9ないし13のうちいずれか一項に記載の抵抗性メモリ素子の製造方法。
  15. 前記固溶層は、Al,Hf,Zr,Zn,W,Co,Au,Pt,Ru,IrまたはTiに前記抵抗層の遷移金属が固溶されたことを特徴とする請求項9ないし13のうちいずれか一項に記載の抵抗性メモリ素子の製造方法。
  16. 前記抵抗層は、Niを含んで形成することを特徴とする請求項15に記載の抵抗性メモリ素子の製造方法。
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