JP2008288587A - アンチモン−亜鉛合金を利用した相変化形不揮発性メモリ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板と、基板の上部に形成された相変化材料層を含むメモリ素子のスタックとを含み、前記相変化材料層は、アンチモン及び亜鉛合金で形成される。これにより、従来のGSTメモリ素子に比べて高速で安定的に動作し、且つ低消費電力型である相変化形メモリ素子を製作することができる。
【選択図】図1
Description
(1)第一の方法は、結晶化が速い材料を活用して素子作動時に最も長い時間を要求する結晶化挙動、すなわちSET駆動時間を短縮させることである。
(2)第二の方法は、低融点を有する相変化材料を採用することによって、メモリ素子の動作中に最も多い電流消耗を引き起こす非晶質化を容易にすることである。非晶質化に必要な溶融冷却過程で低融点材料を有する相変化材料は、溶融に必要な電流消費を低減する。
(3)第三の方法は、相対的に高い結晶化温度を有する相変化材料を採用することである。結晶質及び非晶質状態で誘導された相変化材料は、メモリ素子の駆動中に発生する熱的クロストーキング(thermal crosstalking)、すなわち隣接セルの発熱により所望しない結晶化を経験することができ、この時、相対的に高い結晶化温度を有する相変化材料を採用する場合、このような熱的クロストーキングを防止することができる。
(4)第四の方法は、相変化材料組成を単純化して反復的な相転移による相分離などを防止することである。現在メモリ素子として優秀な特性を具現するカルコゲナイド組成は、基本的にGe−Sb−Teの3成分系に窒素(N)などを添加した組成であって、反復的な素子駆動時に前記組成の安定相であるGeTe及びSb2Te3などら分離されることができるが、これは、メモリ素子の誤作動の原因になる。
化学式1
ZnxSb100-x
xは、5乃至35の範囲である。
化学式1
ZnxSb100-x
xは、5乃至35の範囲である。
本発明による非揮発性相変化形メモリ素子において、相変化材料層は、相変化形メモリ素子を構成する最も核心的な層である。したがって、相変化材料層を構成する物質の元素及び組成によって多様な相変化特性を有することができる。本発明では、特に相変化材料層としてアンチモンと亜鉛合金を使用する。アンチモンと亜鉛合金は、高い結晶化傾向性を有するアンチモンに亜鉛を添加することによって、添加された亜鉛から引き起こされるアンチモンとの結晶構造上の歪曲及び相対的に小さい亜鉛原子により誘導される局部的不定形性(disorder)が六方粗密構造を達成しようとするアンチモンの結晶化を妨害して非晶質の安定性を強化し、本発明では、このようなアンチモンと亜鉛合金のメカニズムを活用したものである。
図1を参照すれば、本発明による相変化形不揮発性メモリ素子は、基板10上に下部電極層14、発熱性電極層16、第1絶縁層18、相変化材料層22、第2絶縁層24及び上部電極層28が順次に積層されたスタック30が配置されている構造である。
基板上に下部電極層をチタンタングステン(TiW)を用いて約500Åの厚さを有するようにスパッタリングにより形成した。次に、下部電極層上に発熱性電極層を約500Åの厚さでチタン窒化物(TiN)を用いてスパッタリングにより形成した。次に、前記発熱性電極層上に第1絶縁膜をプラズマを利用した化学的気相蒸着法(plasma enhanced chemical vapor deposition、PECVD)法により2,000Åの厚さでシリコン酸化膜SiO2で400℃で形成した。次に、第1絶縁膜をi−lineを使用するフォトリソグラフィ装備を用いて乾式エッチングして、約500nmの大きさでアクティブポアを形成した。
前記亜鉛の組成xが17であることを除いて、前記実施例1と同じ方法でメモリ素子を製作した。
前記亜鉛の組成xが23であることを除いて、前記実施例1と同じ方法でメモリ素子を製作した。
相変化材料層の材料を従来のGe2Sb2Te5(GST)に代えることを除いて、前記実施例1と同じ方法でメモリ素子を製作した。
前記実施例1乃至3及び比較例1で得たメモリ素子に対する電流−抵抗特性を調査し、その結果を図3乃至図6に示した。電流−抵抗特性に対する調査は、情報の記録のために印加される電流信号の大きさを変化させながら各メモリ素子の抵抗値を測定したものであって、この場合、印加する電流信号の幅は、1usに固定した。
本発明による素子特性の比較のために実施例2及び比較例1によるメモリ素子において電圧信号を印加した時のセット動作特性を試験し、その結果を図7に示した。
14 下部電極層
16 発熱性電極層
18 第1絶縁層
20 アクティブポア
22 相変化材料層
24 第2絶縁層
26 ビアホール
28 上部電極層
30 相変化形メモリ素子のスタック構造
Claims (10)
- 基板と、
基板の上部に形成された相変化材料層を含むメモリ素子のスタックとを含み、
前記相変化材料層は、アンチモンと亜鉛合金を含むことを特徴とする相変化形不揮発性メモリ素子。 - 前記相変化材料層を構成するアンチモンと亜鉛合金は、下記化学式で表現されることを特徴とする請求項1に記載の相変化形不揮発性メモリ素子。
化学式1
ZnxSb100-x
xは、5乃至35の範囲である。 - 前記相変化材料層は、常温で非晶質状態であり、結晶質への可逆的相転移温度は、180乃至220℃であり、結晶質から非晶質への可逆的相転移温度は、500乃至540℃であることを特徴とする請求項1に記載の相変化形不揮発性メモリ素子。
- 前記相変化材料層のリセット(reset)動作に要求される電流の大きさは、12mA未満であることを特徴とする請求項1に記載の相変化形不揮発性メモリ素子。
- 前記相変化材料層は、2.0乃至4.0Vの印加電圧範囲で200乃至100nsの動作速度を示すことを特徴とする請求項1に記載の相変化形不揮発性メモリ素子。
- 前記メモリ素子のスタックは、
下部電極層と、
前記下部電極層上に形成された発熱性電極層と、
前記発熱性電極層上に形成され、且つ前記発熱性電極層の一部を露出させるポアが形成された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層上にポアを埋め込んで形成された相変化材料層と、
前記相変化材料層上に形成された上部電極層とを含むことを特徴とする請求項1に記載の相変化形不揮発性メモリ素子。 - 前記メモリ素子のスタックは、前記相変化材料層と前記上部電極層との間に第2絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の相変化形不揮発性メモリ素子。
- 基板上に下部電極層を形成する段階と、
前記下部電極層上に発熱性電極層を形成する段階と、
前記発熱性電極層の一部を覆うように第1絶縁層を形成する段階と、
前記第1絶縁層をパターニングして、発熱性電極層の一部が露出されるポアを形成する段階と、
前記ポアにアンチモンと亜鉛合金で相変化材料層を形成する段階と、
前記相変化材料層上に上部電極を形成する段階と、
を含む相変化形不揮発性メモリ素子の製造方法。 - 前記相変化材料層を構成するアンチモンと亜鉛合金は、下記化学式で表現されることを特徴とする請求項8に記載の相変化形不揮発性メモリ素子の製造方法。
化学式1
ZnxSb100-x
xは、5乃至35の範囲である。 - 前記相変化材料層の形成段階後に、前記相変化材料層に第2絶縁層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の相変化形不揮発性メモリ素子の製造方法。
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