JP2012124374A5

JP2012124374A5 -

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Publication number: JP2012124374A5
Application number: JP2010274816A
Authority: JP
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2030-12-09

Description

コンピュータ等の情報機器においては、ＲＡＭ（Random Access Memory）として動作が高速且つ高密度なＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）が広く使用されている。しかしながら、ＤＲＡＭは電子機器に用いられる一般的な論理回路ＬＳＩ（Large Scale Integration）や信号処理回路と比較して製造工程が複雑であるためコストが高い。また、頻繁にリフレッシュ動作、即ち書き込んだ情報を読み出し、増幅し直して再度書き込み直す動作を行う必要がある。更に、ＤＲＡＭは電源供給がなくなると記憶情報が失われる揮発性メモリであるため、長期記録の用途には向かないという欠点がある。

そこで、２つの電極間に金属元素（例えば、銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），亜鉛（Ｚｎ））とカルコゲン元素（例えば、硫黄（Ｓ），セレン（Ｓｅ），テルル（Ｔｅ））を含むイオン導電体層を挿入した記憶素子が、微細化の限界を超える次世代不揮発性メモリとして提案されている（例えば、特許文献１，非特許文献１参照）。この記憶素子は、２つのうちの一方の電極が、イオン導電体層中に含まれる金属を含有している。２つの電極間に電圧を印加すると、電極中に含まれる金属がイオン導電体層中にイオンとして拡散し、これによりイオン導電体層の抵抗値あるいはキャパシタンス等の電気特性が変化する。

そこで、データの保持特性を改善した記憶素子として、以下に示す記憶素子が提案されている。例えば特許文献２に記載の記憶素子では、一方の電極とイオン導電体層との間に、イオンの移動を制限するバリア層として希土類酸化膜が挿入されている。これにより、閾値電圧以上の記録電圧の印加により、Ｃｕ，ＡｇあるいはＺｎ等の金属元素を含む電極から上記金属元素のイオンが希土類酸化膜に拡散し、他方の電極側で電子と結合して析出、あるいは希土類酸化膜内部に拡散した状態で留まる。即ち、希土類酸化膜内にＣｕ，Ａｇ，Ｚｎを多量に含む電流パス（フィラメント）が形成される（フィラメント型）。あるいは、希土類酸化膜内にＣｕ，Ａｇ，Ｚｎによる欠陥が多数形成される（非フィラメント型）。これにより希土類膜の抵抗値が低くなる。また、逆極性の電圧を印加することにより、希土類酸化膜内に形成された電流パスあるいは不純物準位を構成するＣｕ，Ａｇ，Ｚｎが再びイオン化して希土類酸化膜内を移動して負電極側に戻り、希土類酸化膜の抵抗値が高くなる。この希土類酸化膜の抵抗変化による記憶素子では、微細化した場合においても高温環境下および長期保存においても優れたデータ保持特性を示す。

本発明の記憶素子または記憶装置では、抵抗変化層と第１電極との間に設けられたバリア層により、金属イオンの移動効率が改善される。これにより、データ消去時における電流パスあるいは不純物準位を形成する金属イオンの残存量が低減される。

このようなイオン源層２１の具体的な材料としては、例えば、ＺｒＴｅＡｌ，ＴｉＴｅＡｌ，ＣｒＴｅＡｌ，ＷＴｅＡｌおよびＴａＴｅＡｌが挙げられる。また、例えば、ＺｒＴｅＡｌに対して、Ｃｕを添加したＣｕＺｒＴｅＡｌ，さらにＧｅを添加したＣｕＺｒＴｅＡｌＧｅ，更に、添加元素を加えたＣｕＺｒＴｅＡｌＳｉＧｅとしてもよい。あるいは、Ａｌの他にＭｇを用いたＺｒＴｅＭｇとしてもよい。イオン化する金属元素としては、Ｚｒの代わりに、ＴｉやＴａなどの他の遷移金属元素を選択した場合でも同様な添加元素を用いることは可能であり、例えばＴａＴｅＡｌＧｅなどとすることも可能である。更に、イオン導電材料としては、Ｔｅ以外に硫黄（Ｓ）やセレン（Ｓｅ）、あるいはヨウ素（Ｉ）を用いてもよく、具体的にはＺｒＳＡｌ，ＺｒＳｅＡｌ，ＺｒＩＡｌ，ＣｕＧｅＴｅＡｌ等を用いてもよい。また、必ずしもＡｌを含んでいる必要はなく、ＣｕＧｅＴｅＺｒ等を用いてもよい。

バリア層２３は抵抗変化層２２と下部電極１０との間に設けられている。このバリア層２３は、抵抗変化層２２にかかる電界の分布を均一にする機能を有している。このバリア層２３は、抵抗変化層２２よりも高い導電率を有し、具体的には抵抗変化層２２に対して１０倍以上２００倍以下であることが好ましい。より好ましくは２０倍以上１００倍以下である。このバリア層２３に用いられる材料としては、例えばＴｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，ＭｏあるいはＺｒの酸化物または窒化物が挙げられる。また、膜厚は、例えば０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下である。バリア層２３の導電率は酸化条件または窒化条件を変えることにより調整することができる。具体的には、例えばＴｉＮよりなる下部電極１０の上面に、例えばＴｉ，ＴｉＮ，ＺｒあるいはＺｒＮ膜を形成した後に、酸素プラズマによって酸化することにより、ＴｉＯｘ，ＴｉＯＮ，ＺｒＯｘあるいはＺｒＯＮよりなるバリア層２３が形成される。

以下、本実施の形態の記憶素子１の製造方法について説明する。

なお、最適な構造としては特にイオン源層２１にＺｒ等の遷移金属を用いることによってイオン源層のカルコゲナイド膜が安定化するので望ましい。また、Ａｌは可動イオンとしても機能するが、Ａｌ₄Ｔｅ₆を形成すると融点がＴｅの融点よりも上昇するため、構造体として用いることもできる。更に、実施の形態等において陰イオンを形成するカルコゲナイド材料としてＴｅを用いたが、その他ＳあるいはＳｅを用いても構わない。但し、イオン源層２１に含まれる陽イオンよりも動きにくいものが好ましい。

例えば、上記実施の形態および実施例では、記憶素子１およびメモリセルアレイ２の構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また、他の層を更に備えていてもよい。