JP2012186316A - 記憶素子および記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】下部電極10、記憶層20および上部電極30をこの順に積層した記憶素子1において、記憶層20はテルルを(Te)を最も多く含む層を有する抵抗変化層22と、アルミニウム(Al)を27.7原子%以上47.4原子%以下の範囲内で含有するイオン源層21とを有する。これにより、消去時に抵抗変化層22中に析出した金属元素がイオン源層21へ溶解しやすくなると共に、書き込みおよび消去後の抵抗状態が維持される。
【選択図】図1
Description
[実施の形態]
(1)記憶素子(抵抗変化層が単層からなる記憶素子)
(2)記憶装置
[変形例]
(抵抗変化層が2層からなる記憶素子)
[実施例]
(記憶素子)
図1は、本発明の一実施の形態に係る記憶素子1の断面構成図である。この記憶素子1は、下部電極10(第1電極)、記憶層20および上部電極30(第2電極)をこの順に有するものである。
Zr組成比(原子%)/Te組成比(原子%)=0.3〜0.84
の範囲にあることが望ましい。これについては必ずしも明らかではないが、Zrに比べてCuの乖離度が低いこと、イオン源層21の抵抗値がZrとTeの組成比によって決まることから、上記の範囲にある場合に限り好適な抵抗値が得られるため、記憶素子1に印加したバイアス電圧が抵抗変化層22の部分に有効に印加されることによると考えられる。
[記憶装置]
次に、上記実施の形態の変形例に係る記憶素子2について説明する。図4は記憶素子2の断面構成を表すものである。なお、記憶素子2について説明するが、上記実施の形態と同一構成部分については同一符号を付してその説明は省略する。この記憶素子3は、下部電極10(第1電極)、記憶層60および上部電極30(第2電極)をこの順に有するものである。
(サンプル1−1〜1−61)
まず、図2および図3に示したように、半導体基板11にMOSトランジスタTrを形成した。次いで、半導体基板11の表面を覆うように絶縁層を形成し、この絶縁層にビアホールを形成した。続いて、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によりビアホールの内部を、W(タングステン)から成る電極材で充填し、その表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により平坦化した。そして、これらの工程を繰り返すことにより、プラグ層15、金属配線層16、プラグ層17および下部電極1を形成して、更に下部電極1をメモリセル毎にパターニングした。
サンプル1−1〜1−61ついてデータ保持特性および繰り返し特性を評価した。まず、書き込み/消去のパルス幅を10ns/10nsとし、記録時電流を130μA、記録電圧を3.0Vとして書き込み動作を行った。次いで、消去時電流を55μA〜135μA、消去電圧を0.45V〜1.1Vまで変化させて消去動作を行った。これをメモリセルアレイ中の10素子×2列で合計20素子に対して各々の条件で105回繰り返し1列分は書き込み状態で停止し、残り1列分は消去状態で停止し、書き込み状態および消去状態の抵抗値を測定した。この後、130℃、1時間の高温加速保持試験後の書き込み状態および消去状態の抵抗値を測定し、サンプル1−1〜1−61のデータ保持特性を評価した。
抵抗変化層22の組成がサンプル1−1〜1−61とは異なるメモリセルアレイを作製し、サンプル2−1〜2−4とした。このサンプル2−1〜2−4を用いて実験1と同様の条件を用いてデータ保持特性および繰り返し特性を評価した。サンプル2−1〜2−4における「下部電極/抵抗変化層/イオン源層/上部電極」の組成および各膜厚は「TiN/AlxTe10-x(3.5nm)/イオン源層(50nm)/W(50nm)」である。表3はサンプル2−1〜2−4の抵抗変化層22,イオン源層21の組成および評価結果の一覧である。図9は、サンプル2−1〜2−4のデータ保持特性および繰り返し特性の特性図である。
次に、サンプル1−1〜1−61の中で良好なデータ保持特性および繰り返し特性を示したサンプルの一部を、より低電流条件、具体的には記録時電流を7μA〜50μA、記録電圧を3.0V、記録パルス幅を1nsec〜100msecにおけるデータ保持特性を100個の素子を用いて評価した。サンプル1−9,1−20,1−21,1−28,1−30,1−58,1−60および1−61におけるイオン源層の組成およびデータ保持特性の可否を表4に示した。また、データ保持特性の特性図を図10および図11に示した。更に、より低電流条件におけるデータ保持特性の評価結果をAl、Cu+Zr、Teの3元組成図として図12に示した。
また、抵抗変化層22に酸素を用いた記憶素子1からなるメモリセルアレイを作成し、サンプル3−1,3−2とした。表5は抵抗変化層22およびイオン源層21の組成および実験1と同様の条件を用いて測定したデータ保持特性および繰り返し特性の評価結果の一覧である。図13は、データ保持特性および繰り返し特性の特性図である。
以下、変形例で示した第1抵抗変化層62A、第2抵抗変化層62Bを備えた記憶素子2からなるメモリセルアレイを作成し、サンプル4−1〜4−3とした。サンプル4−1〜4−3における「下部電極/第1抵抗変化層/第2抵抗変化層/イオン源層/上部電極」の組成および各膜厚は、「TiN/第1抵抗変化層/第2抵抗変化層/イオン源層(50nm)/W(50nm)」である。表6は、第1抵抗変化層62Aと第2抵抗変化層62Bとの組成および膜厚、イオン源層61の組成および評価結果の一覧である。図14は、サンプル4−1〜4−3のデータ保持特性および繰り返し特性の特性図である。
Claims (11)
- 第1電極、記憶層および第2電極をこの順に有し、
前記記憶層は、
前記第1電極側に設けられると共に、陰イオン成分としてテルルを(Te)を最も多く含む層を有する単層または複数層からなる抵抗変化層と、
前記第2電極側に設けられると共に、金属元素と、テルル(Te),硫黄(S)およびセレン(Se)のうちの少なくとも1種のカルコゲン元素とを含み、アルミニウム(Al)を27.7原子%以上47.4原子%以下の範囲内で含有するイオン源層と
を備えた記憶素子。 - 前記イオン源層は、銅(Cu)およびジルコニウム(Zr)を含み、前記イオン源層中の含有量は23.6原子%以上39.4原子%以下である、請求項1に記載の記憶素子。
- 前記イオン源層は、前記カルコゲン元素の含有量は20.7原子%以上42.7原子%以下である、請求項1に記載の記憶素子。
- 前記イオン源層は、ゲルマニウム(Ge)の含有量は15原子%以下である、請求項1に記載の記憶素子。
- 第1電極、記憶層および第2電極をこの順に有し、
前記記憶層は、
前記第1電極側に設けられると共に、陰イオン成分としてテルルを(Te)を最も多く含む層を有する単層または複数層からなる抵抗変化層と、
前記第2電極側に設けられると共に、金属元素と、テルル(Te),硫黄(S)およびセレン(Se)のうちの少なくとも1種のカルコゲン元素とを含むイオン源層とを備え、
前記イオン源層は、Al,Cu,ZrおよびGeをそれぞれ、27.7原子%≦Al≦38.6原子%,25.8原子%≦Cu+Zr≦38.2原子%,29.1原子%≦カルコゲン元素≦42.7原子%、Ge≦15原子%の関係を満たす範囲で含まれる
記憶素子。 - 前記第1電極および前記第2電極への電圧印加によって前記抵抗変化層内に前記金属元素を含む低抵抗部が形成されることにより抵抗値が変化する、請求項1または5に記載の記憶素子。
- 第1電極、記憶層および第2電極をこの順に有する複数の記憶素子と、前記複数の記憶素子に対して選択的に電圧または電流のパルスを印加するパルス印加手段とを備え、
前記記憶層は、
前記第1電極側に設けられると共に、陰イオン成分としてテルルを(Te)を最も多く含む層を有する単層または複数層からなる抵抗変化層と、
前記第2電極側に設けられると共に、金属元素と、テルル(Te),硫黄(S)およびセレン(Se)のうちの少なくとも1種のカルコゲン元素とを含み、アルミニウム(Al)を27.7原子%以上47.4原子%以下の範囲内で含有するイオン源層と
を備えた記憶装置。 - 前記イオン源層は、銅(Cu)およびジルコニウム(Zr)を含み、前記イオン源層中の含有量は23.6原子%以上39.4原子%以下である、請求項7に記載の記憶装置。
- 前記イオン源層は、前記カルコゲン元素の含有量は20.7原子%以上42.7原子%以下である、請求項7に記載の記憶装置。
- 前記イオン源層は、ゲルマニウム(Ge)の含有量は15原子%以下である、請求項7に記載の記憶装置。
- 第1電極、記憶層および第2電極をこの順に有する複数の記憶素子と、前記複数の記憶素子に対して選択的に電圧または電流のパルスを印加するパルス印加手段とを備え、
前記記憶層は、
前記第1電極側に設けられると共に、陰イオン成分としてテルルを(Te)を最も多く含む層を有する単層または複数層からなる抵抗変化層と、
前記第2電極側に設けられると共に、テルル(Te),硫黄(S)およびセレン(Se)のうちの少なくとも1種のカルコゲン元素とを含むイオン源層とを備え、
前記イオン源層は、Al,Cu,ZrおよびGeをそれぞれ、27.7原子%≦Al≦38.6原子%,25.8原子%≦Cu+Zr≦38.2原子%,29.1原子%≦カルコゲン元素≦42.7原子%、Ge≦15原子%の関係を満たす範囲で含まれる
記憶装置
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