JP2011517364A - 炭素または窒素をドープされたダイオードを備える不揮発性メモリ素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、その全体が本願明細書において参照により援用されている、2007年6月25日に出願された米国特許出願第11/819,041号(特許文献1)および第11/819,042号(特許文献2)の権益を主張する。
本発明の好ましい実施形態において、上部および下部導体間に、多結晶半導体材料で形成されたダイオードと絶縁破壊アンチヒューズが直列に設けられている。この2端子素子は1度だけプログラム可能なマルチレベルセルとして用いられ、好ましい実施形態において、3つまたは4つの個別のデータ状態を有する。
プログラム プログラム後の
パルス電圧 +2Vにおける読み出し電流 1σ
+6.4V 1.1×10-5A 6.1×10-6A
+7.4V 1.7×10-5A 7.2×10-6A
+8.4V 1.8×10-5A 5.4×10-6A
ここまで、あるデータ状態における最高電流とその次に高い隣接するデータ状態における最低電流との間の差について述べたが、隣接するデータ状態にあるセルの大半において、読み出し電流の差はさらに大きい。例えば、V状態にあるメモリセルの読み出し電流は1nAであってもよい。R状態にあるセルの読み出し電流は100nAであってもよい。S状態にあるセルの読み出し電流は2μA(2,000nA)であってもよい。P状態にあるセルの読み出し電流は20μAであってもよい。各隣接する状態におけるこれらの電流は10倍以上の差がある。
別の実施形態群では、メモリセルが、2つまたは3つのデータ状態間で繰返し切り換え可能な(書き換え可能な)メモリセルとして動作する。
ここまで説明した実施形態によって形成されプログラムされたメモリセルのアレイでは、逆方向バイアス下でセルが大電圧を受ける過程は、いずれも、順方向バイアス印加状態で行う過程に比べて、漏洩電流を低減した。
この方式を用いれば、非選択セルUに電圧が加わらないので、逆方向漏洩電流が生じない。その結果、帯域幅を大幅に拡大させることができる。
ここまで、適当な電気パルスの印加によって、ダイオードの半導体材料をある抵抗率状態から別の抵抗率状態へ切り換え、メモリセルを2つの個別のデータ状態間で切り換えることについて説明した。実際には、これらのセットおよびリセット工程は、繰返し過程であってもよい。
前述したように、隣接するデータ状態間の読み出し電流の差は少なくとも2倍であることが望ましい。多くの実施形態では、各データ状態の電流範囲を、電流差が3倍、5倍、10倍、またはそれより大きくなるように隔ててとることが望ましい場合がある。
両方とも、本発明の譲受人が所有し、本願明細書において参照により援用されている、2006年6月8日に出願されたHernerらによる「Nonvolatile Memory Cell Operating by Increasing Order in Polycrystalline Semiconductor Material 」という米国特許出願第11/148,530号(特許文献5)、および2004年9月29日に出願されたHernerによる「Memory Cell Comprising a Semiconductor Junction Diode Crystallized Adjacent to a Silicide 」という米国特許出願第10/954,510号(特許文献6)には、ポリシリコンが適当なケイ化物に隣接して結晶化すると、そのポリシリコンの物性が変化することが記載されている。ケイ化コバルトおよびケイ化チタン等のある種のケイ化金属は、シリコンに非常に近い格子構造を有している。非晶質または微結晶シリコンがこれらのケイ化物の1つに接触して結晶化するとき、そのケイ化物の結晶格子が、結晶化中のシリコンの鋳型となる。その結果形成されるポリシリコンは、高い秩序構造を有するとともに、比較的欠陥密度が低いものとなる。この高品質ポリシリコンは、導電性増強(conductivity-enhancing)ドーパントでドープされると、形成時、比較的高い導電性を有する。
基板100上に絶縁層102が形成される。絶縁層102は、酸化シリコン、窒化シリコン、高誘電性薄膜、Si−C−O−H薄膜、またはその他の任意の適当な絶縁材料であってよい。
次に堆積させる層は導電体層106である。導電体層106は、タングステン、あるいはタンタル、チタン、銅、コバルトまたはそれらの合金等の他の材料等、当該技術分野において周知の任意の導電材料を含むものであってよい。
次に、誘電体材料108を導体線路200上および線路間に堆積させる。誘電体材料108は、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸窒化シリコン等、任意の周知の電気的絶縁材料であってよい。好ましい実施形態では、二酸化シリコンが誘電体材料108として用いられる。
真性領域114は当該技術分野において周知の任意の方法によって形成することができる。層114は、シリコン、ゲルマニウム、あるいはシリコンまたはゲルマニウムの任意の合金であってよい。その厚さは約1,100〜約3,300オングストロームであり、約2,000オングストロームであることが望ましい。
次に、誘電体材料(図示せず)を導体線路400上および線路間に堆積させる。誘電体材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸窒化シリコン等の、任意の周知の電気的絶縁材料であってよい。好ましい実施形態では、酸化シリコンをこの誘電体材料として用いる。
ここまで説明した実施形態に加えて、多結晶または微結晶半導体材料の抵抗率状態にデータ状態が格納されるメモリセルとして、他にも多くの実施形態が可能であり、本発明の範囲に含まれる。他の可能な実施形態を数例説明するが、これらによって全ての実施形態を網羅できるものではなく、そのように意図するものでもない。
Claims (40)
- 不揮発性メモリ素子であって、
炭素または窒素の少なくともいずれかを不可避の不純物レベルの濃度よりも高い濃度でドープする、シリコン、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウムダイオードを備える少なくとも1つの不揮発性メモリセルを備える不揮発性メモリ素子。 - 請求項1記載の素子において、
前記少なくとも1つの不揮発性メモリセルと電気的に接触した第1の電極と第2の電極とをさらに備える素子。 - 請求項2記載の素子において、
使用時、前記ダイオードが、印加バイアスに応答して第1の抵抗率状態から前記第1の抵抗率状態と異なる第2の抵抗率状態へ切り換わることによって、前記不揮発性メモリセルの読み出し/書き込み要素として機能する素子。 - 請求項2記載の素子において、
前記不揮発性メモリセルが、前記ダイオードと、前記ダイオードと電気的に接触した前記第1および第2の電極とから実質的になる素子。 - 請求項2記載の素子において、
前記不揮発性メモリセルが、第1および第2の電極と、前記ダイオードと、アンチヒューズとから実質的になり、
前記ダイオードと前記アンチヒューズとが前記第1および前記第2の電極間に直列に設置される素子。 - 請求項1記載の素子において、
前記ダイオードが、炭素を少なくとも1×1017cm-3の濃度でドープする素子。 - 請求項1記載の素子において、
前記ダイオードが、窒素を少なくとも1×1017cm-3の濃度でドープする素子。 - 請求項1記載の素子において、
前記ダイオードが、炭素と窒素とを少なくとも1×1017cm-3の総濃度でドープする素子。 - 請求項1記載の素子において、
前記ダイオードがp−i−nダイオードを備え、少なくとも前記ダイオードの真性領域を前記炭素または窒素の少なくともいずれかでドープする素子。 - 請求項1記載の素子において、
前記ダイオードが、実質的に円筒状の形状を有する、多結晶シリコン、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウムp−i−nピラー状ダイオードを備える素子。 - 請求項1記載の素子において、
前記不揮発性メモリセルが読み出し/書き込みメモリセルを備え、
前記ダイオードが前記不揮発性メモリセルの読み出し/書き込み要素として機能する素子。 - 請求項11記載の素子において、
前記不揮発性メモリセルが、書き換え可能なメモリセルを備える素子。 - 請求項12記載の素子において、
初期高抵抗率状態(未プログラム状態)にある前記ダイオードが、前記ダイオードに対する順方向バイアスの印加によって、低抵抗率状態(プログラム済状態)に置かれるようになり、
前記プログラム済状態(低抵抗率状態)にある前記ダイオードが、前記ダイオードに対する逆方向バイアスの印加によって、前記高抵抗率状態(リセット状態)に置かれるようになり、
前記高抵抗率状態(リセット状態)にある前記ダイオードが、前記ダイオードに対する順方向バイアスの印加によって、前記低抵抗率状態(プログラム済セット状態)に戻るようになる素子。 - 請求項1記載の素子において、
前記ダイオードが、前記高抵抗率状態(リセット状態)において、−5.5Vで4×10-10 A未満の漏洩電流を有し、前記炭素または窒素によって、読み出しおよびプログラム操作中の前記メモリセルに電力低減、帯域幅拡大または温度特性向上のうちの少なくともいずれかが生じる素子。 - 請求項1記載の素子において、
前記ダイオード上に設置される不揮発性メモリセルのモノリシックな3次元アレイをさらに備える素子。 - 不揮発性メモリ素子であって、
窒素または炭素の少なくともいずれかを少なくとも1×1017cm-3の濃度で少なくとも真性領域をドープする、シリコン、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウムp−i−nダイオードを備える少なくとも1つの不揮発性メモリセルと、
前記少なくとも1つの不揮発性メモリセルと電気的に接触した第1の電極および第2の電極と、
を備える不揮発性メモリ素子。 - 請求項16記載の素子において、
使用時、前記ダイオードが、印加バイアスに応答して第1の抵抗率状態から前記第1の抵抗率状態と異なる第2の抵抗率状態へ切り換わることによって、前記メモリセルの読み出し/書き込み要素として機能する素子。 - 請求項17記載の素子において、
前記不揮発性メモリセルが、前記ダイオードと、前記ダイオードと電気的に接触した前記第1および前記第2の電極とから実質的になる素子。 - 請求項17記載の素子において、
前記不揮発性メモリセルが、前記第1および前記第2の電極と、前記ダイオードと、アンチヒューズとから実質的になり、
前記ダイオードと前記アンチヒューズとが前記第1および前記第2の電極間に直列に設置される素子。 - 請求項17記載の素子において、
前記不揮発性メモリセルが、書き換え可能なメモリセルを備える素子。 - 不揮発性メモリ素子を製造する方法であって、
第1の電極を形成するステップと、
シリコン、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウムダイオードを備える少なくとも1つの不揮発性メモリセルを形成するステップと、
前記ダイオードを窒素または炭素の少なくともいずれかでドープするステップと、
前記少なくとも1つの不揮発性メモリセル上に第2の電極を形成するステップと、
を含む方法。 - 請求項21記載の方法において、
使用時、前記ダイオードが、印加バイアスに応答して第1の抵抗率状態から前記第1の抵抗率状態と異なる第2の抵抗率状態へ切り換わることによって、前記不揮発性メモリセルの読み出し/書き込み要素として機能する方法。 - 請求項22記載の方法において、
前記不揮発性メモリセルが、前記ダイオードと、前記ダイオードと電気的に接触した前記第1および前記第2の電極とから実質的になる方法。 - 請求項22記載の方法において、
前記不揮発性メモリセルが、前記第1および前記第2の電極と、前記ダイオードと、アンチヒューズとから実質的になり、
前記ダイオードと前記アンチヒューズとが前記第1および前記第2の電極間に直列に設置される方法。 - 請求項21記載の方法において、
前記ダイオードが、炭素を少なくとも1×1017cm-3の濃度でドープする方法。 - 請求項21記載の方法において、
前記ダイオードが、窒素を少なくとも1×1017cm-3の濃度でドープする方法。 - 請求項21記載の方法において、
前記ダイオードが、炭素と窒素とを少なくとも1×1017cm-3の総濃度でドープする方法。 - 請求項21記載の方法において、
前記ダイオードがp−i−nダイオードを備え、少なくとも前記ダイオードの真性領域を前記炭素または窒素の少なくともいずれかでドープする方法。 - 請求項28記載の方法において、
前記ダイオードが、実質的に円筒状の形状を有する多結晶シリコン、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウムp−i−nピラー状ダイオードを備える方法。 - 請求項28記載の方法において、
前記ドープするステップが、前記炭素または窒素の少なくともいずれかを前記ダイオードにイオン注入するステップを含む方法。 - 請求項30記載の方法において、
前記窒素または炭素の少なくともいずれかが、前記ダイオードの前記真性領域に注入される方法。 - 請求項28記載の方法において、
前記ドープするステップが、ダイオード層の堆積中に、前記炭素または窒素の少なくともいずれかで前記ダイオードをその場でドープするステップを含む方法。 - 請求項28記載の方法において、
前記ドープするステップが、ダイオード層の堆積中または堆積後に、前記ダイオードを炭素または窒素の少なくともいずれかを含むプラズマに曝露するするステップを含む方法。 - 請求項21記載の方法において、
前記ダイオードを第1の抵抗率状態(未プログラム状態)から前記第1の抵抗率状態よりも低い第2の抵抗率状態(プログラム済状態)へ切り換えるために、前記ダイオードに順方向バイアスを印加するステップをさらに含む方法。 - 請求項34記載の方法において、
前記ダイオードを前記第2の抵抗率状態よりも高い第3の抵抗率状態(リセット状態)へ切り換えるために、前記ダイオードに逆方向バイアスを印加するステップと、
前記ダイオードを前記第3の抵抗率状態よりも低い第4の抵抗率状態(プログラム済セット状態)へ切り換えるために、前記ダイオードに順方向バイアスを印加するステップと、
をさらに含む方法。 - 不揮発性メモリ素子を操作する方法であって、
炭素または窒素の少なくともいずれかでドープされる、シリコン、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウムダイオードを備える少なくとも1つのメモリセルを準備するステップであって、前記ダイオードが第1のより高い抵抗率状態(未プログラム状態)から第2のより低い抵抗率状態(プログラム済状態)へ切り換えられる、準備するステップと、
前記ダイオードを前記第2抵抗率状態よりも高い第3の抵抗率状態(リセット状態)へ切り換えるために、前記ダイオードに逆方向バイアスを印加するステップと、
を含む方法。 - 請求項36記載の方法において、
前記ダイオードを前記第3の抵抗率状態よりも低い第4の抵抗率状態(プログラム済セット状態)へ切り換えるために、前記ダイオードに順方向バイアスを印加するステップをさらに含む方法。 - 請求項36記載の方法において、
前記ダイオードの抵抗率状態を前記メモリセルのデータ状態として検知するステップをさらに含む方法。 - 請求項36記載の方法において、
前記ダイオードが、前記高抵抗率状態(リセット状態)において、−5.5Vで4×10-10 A未満の漏洩電流を有する方法。 - 請求項36記載の方法において、
前記ダイオードが、実質的に円筒状の形状を有する多結晶シリコン、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウムp−i−nピラー状ダイオードを備え、前記炭素または窒素によって、読み出しおよびプログラム操作中の前記メモリセルに電力低減、帯域幅拡大または温度特性向上のうちの少なくともいずれかが生じる方法。
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