JP2011222952A - 抵抗変化メモリ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の例に係わる抵抗変化メモリは、第1方向に延びる第1の配線と、第2方向に延びる第2の配線と、第1の配線と第2の配線との交点に設けられ、抵抗状態の変化に応じてデータを記憶するメモリ素子20と非オーミック素子30とが直列接続されたセルユニットセルユニットCUと、を具備し、非オーミック素子30Aは、メタル層31と、第1の半導体層33と、半導体層33とメタル層31との間に設けられ、第1のメタル層31との界面に偏在層38bを有する第2の半導体層38とを含む。
【選択図】図15A
Description
<1> 第1の実施形態
(1) 抵抗変化メモリ
(a) 全体構成
図1乃至図10を用いて、本発明の第1の実施形態に係る抵抗変化メモリについて、説明する。
図3において、図2における2つのメモリセルアレイM1,M2内のセルユニットCU1,CU2が示されている。この場合、図2における2つのメモリセルアレイM3,M4内のセルユニットの構成は、図2における2つのメモリセルアレイM1、M2内のセルユニットの構成と同じになる。
1つのセルユニットにおいて、メモリ素子と整流素子との接続関係は、メモリ素子と整流素子の位置関係が2通り、整流素子の向きが2通りで、合計4通り存在する。したがって、2つのメモリセルアレイ内のセルユニットに関して、メモリ素子と整流素子の接続関係のパターンは、16通り(4通り×4通り)存在する。図4のa〜pは、この16通りの接続関係を表している。本発明の実施形態は、これら16通りの接続関係の全てに対して適用可能である。
図7A乃至図7Cを参照して、本実施形態の抵抗変化メモリの動作について、説明する。
メモリセルアレイM1は、図2のメモリセルアレイM1に相当し、メモリセルアレイM2は、図2のメモリセルアレイM2に相当する。セルユニットCU1,CU2内のメモリ素子及び非オーミック素子(例えば、整流素子)の接続関係は、図4のaに相当する。
メモリセルアレイM1内の選択セルユニットCU1-selに対して書き込み(セット)動作が実行される場合について説明する。
また、例えば、リセット状態を高抵抗状態(100kΩ〜1MΩ)とし、セット状態を低抵抗状態(1kΩ〜10kΩ)とする。
次に、メモリセルアレイM1内の選択セルユニットCU1-selに対して消去(リセット)動作を行う場合について説明する。
次に、メモリセルアレイM1内の選択セルユニットCU1-selに対して読み出し動作を行う場合について説明する。
(2) 基本例
図8乃至図11Bを用いて、第1の実施形態の抵抗変化メモリの基本例について、説明する。
図8は、本実施形態の抵抗変化メモリに用いられるセルユニットの基本例の鳥瞰図を示している。図9は、本実施形態の抵抗変化メモリに用いられるセルユニットの断面構造を示している。図8及び図9において、図4のaに示されるセルユニットCU1の接続関係が示されているが、本発明の実施形態は、図4のaの例に限定されない。
・ 量子状態の相変化(金属-超伝導体転移など)
・ 常磁性体-強磁性体転移、反強磁性体-強磁性体転移、強磁性体-強磁性体転移、フェリ磁性体-強磁性体転移、これらの転移の組み合わせからなる転移
・ 常誘電体-強誘電体転移、常誘電体-焦電体転移、常誘電体-圧電体転移、強誘電体-強誘電体転移、反強誘電体-強誘電体転移、これらの転移の組み合わせからなる転移
・ 以上の転移の組み合わせからなる転移
例えば、金属、絶縁体、半導体、強誘電体、常誘電体、焦電体、圧電体、強磁性体、フェリ磁性体、螺旋磁性体、常磁性体又は反強磁性体から、強誘電強磁性体への転移、及び、その逆の転移
この定義によれば、可変抵抗素子は、相変化素子を含む。
i型層32の膜厚は、例えば、60nm〜120nm程度である。
(b) 動作メカニズム
図10A乃至図10Dを用いて、本実施形態の抵抗変化メモリに用いられる非オーミック素子(pimダイオード)30Aの動作メカニズムについて説明する。
図12乃至図18を参照して、本発明の第1の実施形態に係る抵抗変化メモリの実施例について説明する。
つまり、図12に示されるように、導電層39A上に、p型層33が設けられる。p型層33上に、i型層32が設けられる。i型層32上に、メタル層31が設けられる。導電層39Aは、配線上に設けられている。
したがって、本実施形態の抵抗変化メモリに用いられるpimダイオード30Aに順バイアスが印加された場合において、pimダイオード30Aのフォワード電流を増大できる。また、逆バイアス印加時のオン状態において、pinダイオード30Aのリバース電流を増大できる。
この場合、図18に示される例では、pimダイオード30Aのメタル層31に用いられる材料例として、TiSix、TaSix、CoSix、NiSix、YSix、ErSix及びHfSixなどのシリサイドや、TiCx、TiBx、TiNx、TaBx、TaCx、TaNx、TaNx、La、LaBx、LaNx、HfSiNx及びZrCなどの導電性化合物、Hfなどの金属の中から選択される材料が、挙げられる(但し、x>0)。
図19A乃至図19Fを用いて、本発明の実施形態の抵抗変化メモリの製造方法について説明する。尚、本製造方法において、形成されるセルユニットの構造は、メモリ素子が非オーミック素子上に積層された場合を例示する。しかし、本製造方法は、非オーミック素子がメモリ素子上に積層された構造にも適用できるのは、もちろんである。
この工程において、各層26X’,21X’,25X’,36X’、33X’,32X’,31X’,35X’,65X及び第2方向に延在する積層体が、第2方向に分割される加工が実行される。
このように、上層のメモリセルアレイを形成するための加工と下層のメモリセルアレイを形成するため加工が共通化されることによって、図2に示されるクロスポイント型メモリセルアレイを有する抵抗変化メモリの製造工程は、各層(各配線レベル)のメモリセルアレイ毎に第1及び第2方向に対する加工を行う製造工程に比較して、簡便になり、且つ、その製造コストが低減する。
本発明の第1の実施形態の抵抗変化メモリにおいて、図8及び図9に示されるように、クロスポイント型メモリセルアレイ内のセルユニットに含まれる非オーミック素子30Aは、p型半導体(p型層)、真性半導体層(i型層)及びメタル層から構成されるpimダイオードである。
これに対して、本実施形態のpimダイオード30Aにおいて、ドーパントとしての不純物を含む半導体層は、主として、p型層のみである。このため、本実施形態のpimダイオード30Aは、半導体層が含む不純物の個数に起因して、非オーミック素子(pimダイオード)の電気的特性がばらつくのを、抑制できる。それゆえ、抵抗変化メモリに要求される非オーミック素子の特性を改善できる。
図20乃至図26を参照して、本発明の第2の実施形態に係る抵抗変化メモリについて、説明する。尚、本実施形態において、第1の実施形態で述べた構成部材と同じ部材に関しては、同じ符号を付し、詳細な説明は必要に応じて行う。
図20及び図21を用いて、本発明の第2の実施形態の抵抗変化メモリの基本例について、説明する。
図20は、第2の実施形態の抵抗変化メモリに用いられるセルユニットの基本例の鳥瞰図であり、図21は、本基本例のセルユニットの断面構造図である。
図22乃至図27を用いて、本発明の第2の実施形態の抵抗変化メモリの実施例について、説明する。図22乃至図27は、本実施形形態の実施例の抵抗変化メモリに用いられるセルユニットの断面構造図を示している。
図22に示されるように、導電層49A上に、n型層43が設けられる。n型層43上に、i型層42が設けられる。n型層42上に、メタル層41が設けられる。導電層49Aは、配線上に設けられる。
したがって、偏在層48bが低濃度p型層(又はi型層)48とメタル層41との界面に設けられることによって、順バイアス印加時におけるnimダイオード40Aのフォワード電流を増大できる。
以下、本実施形態の抵抗変化メモリのセルユニットに用いられる材料例を説明する。
a) 酸化物
・ SiO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、Gb2O3、Ce2O3、CeO2、Ta2O5、HfO2、ZrO2、TiO2、HfSiO、HfAlO、ZrSiO、ZrAlO、AlSiO
・ AB2O4
但し、A及びBは、同じ又は異なる元素で、かつ、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Geの中から選択される1つ又は複数の組み合わせである。
・ ABO3
但し、A及びBは、同じ又は異なる元素で、かつ、Al、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Snの中から選択される1つ又は複数の複数の組み合わせである。
b) 酸窒化物
・ SiON、AlON、YON、LaON、GdON、CeON、TaON、HfON、ZrON、TiON、LaAlON、SrHfON、SrZrON、SrTiON、HfSiON、HfAlON、ZrSiON、ZrAlON、AlSiON
・ 上述のa)の酸化物の酸素元素の一部を窒素元素で置換した材料
SiO2、SiN、SiONなどのSi系の絶縁膜に関しては、酸素元素、窒素元素の濃度がそれぞれ1×1018/cm3以上であるものを含む。
a). 単一元素または複数の金属元素の混合物、
b). 酸化物、炭化物、ホウ化物、窒化物若しくはケイ化物としての化合物金属、
c). TiNx、TiCx、TiBx、TiSix、WCx、WBx、W、WSix、TaCx、TaBx、TaNx、TaSix、LaBx、LaNx、LsSix、HfSix、Hf、YSix、ErSix、NiSix、PtSix、PdSix、CoSix、MnSix、CrSix、FeSix (但し、x>0)
のうちの一つまたは複数の組み合わせから構成されるてもよい。
本発明の抵抗変化メモリは、現在、製品化されている機器に使用されているメモリ、例えば、磁気メモリ、NANDフラッシュメモリ、ダイナミックランダムアクセスメモリなどにとって変わる次世代ユニバーサルメモリとして非常に有望である。
本発明によれば、抵抗変化メモリに要求される非オーミック素子の特性を満たし、非オーミック素子の厚さも十分に薄くすることができる。
Claims (7)
- 第1方向に延びる第1の配線と、
前記第1方向に交差する第2方向に延びる第2の配線と、
前記第1の配線と前記第2の配線との交点に設けられ、抵抗状態の変化に応じてデータを記憶するメモリ素子と非オーミック素子とが直列接続されたセルユニットと、を具備し、
前記非オーミック素子は、
メタル層と、
第1の不純物を含む第1の半導体層と、
前記第1の半導体層と前記メタル層との間に設けられ、前記第1のメタル層との界面に偏在層を有する第2の半導体層と、
を含むことを特徴とする抵抗変化メモリ。 - 前記偏在層は、前記第1の不純物と反対の伝導型の第2の不純物を含むことを特徴とする請求項1に記載の抵抗変化メモリ。
- 前記第1の半導体層は、p型半導体層であることを特徴とする請求項1又は2に記載の抵抗変化メモリ。
- 前記偏在層の不純物濃度は、1×1018cm−3以上、1×1020cm−3以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
- 前記第1のメタル層は、TiCx、TiBx、TiNx、TiSix、TaCx、TaBx、TaNx、TaNx、WSix、TaSix、La、LaBx、LaN、HfSix、Hf、YSix、ErSix、ZrCの中から選択される1種類から構成される(但し、x>0)ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
- 前記非オーミック素子は、前記第1の半導体の前記第2の半導体層に接触する側に対向する側に設けられる導電層と、
前記第1の半導体層と前記導電層との間に設けられたシリサイド層と、をさらに含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。 - 前記非オーミック素子は、前記メモリ素子の抵抗状態を変化させる電流を、前記メモリ素子に対して双方向に供給することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
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