JP2013187336A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】整流特性が良好で、スイッチング特性の耐久性が高い、CBRAMを提供する。
【解決手段】本発明の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、ワード線WL、第1の電極3、イオン拡散層2、第2の電極1、及びビット線BLを備える。ワード線は、第1の方向に延伸する導電性材料からなる。第1の電極は、ワード線上に設けられワード線に電気的に接続される。イオン拡散層は、高抵抗であり、第1の電極上に設けられ、第1の電極に電気的に接続される。第2の電極は、イオン拡散層上に設けられ、第1の電極に比べて正の電圧が印加されるとイオン拡散層中に金属を供給する。ビット線は、第2の電極上に設けられ、第2の電極に電気的に接続され、第1の方向と直交する第2の方向に延伸する導電性材料からなる。第2の電極は、イオン拡散層中に供給される金属により構成される。イオン拡散層は、ワード線側でビット線側よりも高濃度に酸素を含有する。
【選択図】図1
【解決手段】本発明の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、ワード線WL、第1の電極3、イオン拡散層2、第2の電極1、及びビット線BLを備える。ワード線は、第1の方向に延伸する導電性材料からなる。第1の電極は、ワード線上に設けられワード線に電気的に接続される。イオン拡散層は、高抵抗であり、第1の電極上に設けられ、第1の電極に電気的に接続される。第2の電極は、イオン拡散層上に設けられ、第1の電極に比べて正の電圧が印加されるとイオン拡散層中に金属を供給する。ビット線は、第2の電極上に設けられ、第2の電極に電気的に接続され、第1の方向と直交する第2の方向に延伸する導電性材料からなる。第2の電極は、イオン拡散層中に供給される金属により構成される。イオン拡散層は、ワード線側でビット線側よりも高濃度に酸素を含有する。
【選択図】図1
Description
本発明の実施の形態は、クロスポイント型メモリセルを備える不揮発性半導体記憶装置に関する。
現在主流の不揮発性半導体記憶装置では、NAND型フラッシュメモリに代表されるように、メモリセルは電荷蓄積型トランジスタにより構成される。電荷蓄積型トランジスタでは、チャネル層とゲート電極との間の絶縁膜中に電荷蓄積層が形成される。この電荷蓄積層に電荷が蓄積することで、電荷蓄積型トランジスタの閾値電圧が変化する。これを利用して、情報の書き込み及び読み出しが行われる。このような不揮発性半導体記憶装置において大容量化を図るためには、電荷蓄積型トランジスタのさらなる微細化が必要となる。しかしながら、電荷を保持する絶縁膜を薄膜化するほどリーク電流が増大するため、電荷保持能力が劣化してしまう。このため、電荷蓄積型トランジスタをメモリセルとする不揮発性半導体記憶装置では、大容量化が困難となりつつある。
そこで、ワード線とビット線との交差部に、可変抵抗素子をメモリ素子として含む、クロスポイント型メモリセルを、アレイ状にメモリセルアレイ内に備えた不揮発性半導体記憶装置が注目されている。このような不揮発性半導体記憶装置では、メモリセルの抵抗値の変化を情報として利用するため、電荷蓄積型のメモリセルの場合に比べて、微細化による記憶保持動作の劣化が少ない。そのため、クロスポイント型メモリセルを備える不揮発性半導体記憶装置は、大容量化に期待される。特に、CBRAM(Conductive Bridging Randam Access Memory)が、クロスポイント型不揮発性半導体記憶装置として期待されている。CBRAMでは、メモリセルの両電極間に挟まれた拡散層中に金属イオンを拡散させて、両電極間を接続する電流パスの形成を制御することによりメモリセルの抵抗値の変化を起こす。さらに、CBRAMのメモリセルは、可変抵抗の特性と合わせて整流特性を備える。クロスポイント型不揮発性半導体装置では、一般に、読み出し動作の際に、非選択メモリセルでは逆バイアスが印加されるため、非選択メモリセルへ流れる電流を抑制する必要がある。このため、メモリセルに直列にダイオードなどの整流素子を接続する必要がある。CBRAMでは、メモリセル自身が整流特性を備えているため、さらに整流素子を接続させる必要がない。このため、CBRAMは、メモリセルの構造が簡素化されるため、大容量化に期待される。
しかしながら、メモリセルのサイズが10nm以下となると、金属イオンの拡散による電流パスの形成の制御が難しくなる。金属イオンが拡散層へ拡散しすぎて、メモリセルのON状態とOFF状態とを繰り返すスイッチング特性のバラツキが増大したり、スイッチング特性の耐久性が劣化したりする。メモリセルサイズが小さくなるほど、金属イオンの過度の拡散の影響が大きい。また、メモリセルの低抵抗化により整流特性も劣化し、逆方向電流が増大する。一方、イオン拡散層を金属イオンの拡散を抑制する材料で構成すると、金属イオンの拡散源となる電極との密着性が悪くなる。この結果、製造段階で電極とイオン拡散層との界面にボイドが発生し、セルの歩留まり低下や故障の原因となる。金属イオン源となる電極とイオン拡散層との界面の密着性がよく、整流特性が良好で、スイッチング特性の耐久性が高い、メモリセルを備えるCBRAMが望まれる。
整流特性が良好で、スイッチング特性の耐久性が高い、メモリセルを備えるCBRAMを提供する。
本発明の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、ワード線と、第1の電極と、イオン拡散層と、第2の電極と、ビット線と、を備える。ワード線は、第1の方向に延伸する導電性材料からなる。第1の電極は、ワード線上に設けられワード線に電気的に接続される。イオン拡散層は、高抵抗であり、ワード線と反対側で第1の電極上に設けられ、第1の電極に電気的に接続される。第2の電極は、ワード線と反対側でイオン拡散層上に設けられ、第1の電極に比べて正の電圧が印加されるとイオン拡散層中に金属を供給する。ビット線は、ワード線と反対側で第2の電極上に設けられ、第2の電極に電気的に接続され、第1の方向と直交する第2の方向に延伸する導電性材料からなる。第2の電極は、イオン拡散層中に供給される金属により構成される。イオン拡散層は、ワード線側でビット線側よりも高濃度に酸素を含有する。
以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。実施形態の説明で使用する図は、説明を容易にするための模式的なものであり、図中の各要素の形状、寸法、大小関係などは、実際の実施においては必ずしも図に示されたとおりとは限らず、本発明の効果が得られる範囲内で適宜変更可能である。
(第1の実施形態)
図1〜図8を用いて、本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置であるCBRAMを説明する。図1は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の要部模式断面図であり、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルを示す。図2は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の要部模式斜視図であり、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイの要部を示す。図3は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のイオン拡散層中の酸素の濃度の分布を示す。図4は、比較例の不揮発性半導体記憶装置の要部模式断面図である。図5は、比較例の不揮発性半導体記憶装置の動作を説明する図である。図6は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の特徴を説明するための試料の断面図である。図7は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の特徴を説明するための図である。図8は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の動作を説明する図である。
図1〜図8を用いて、本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置であるCBRAMを説明する。図1は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の要部模式断面図であり、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルを示す。図2は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の要部模式斜視図であり、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイの要部を示す。図3は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のイオン拡散層中の酸素の濃度の分布を示す。図4は、比較例の不揮発性半導体記憶装置の要部模式断面図である。図5は、比較例の不揮発性半導体記憶装置の動作を説明する図である。図6は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の特徴を説明するための試料の断面図である。図7は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の特徴を説明するための図である。図8は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の動作を説明する図である。
図1に示したように、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルMCは、下部電極3の上にイオン拡散層2が設けられる。イオン拡散層2は、下部電極3の上面と電気的に接続される。下部電極3は、導電性材料であればよく、例えばn形のポリシリコンである。p形ポリシリコンまたは金属材料とすることも可能である。金属材料の場合は、イオン拡散層2に拡散しにくい金属元素からなる材料であることが好ましい。後述のように、本実施形態に係るイオン拡散層2がシリコン(Si)により構成される場合は、金属材料は、例えば、窒化チタン(TiN)、モリブデン(Mo)、またはタンタル(Ta)などが望ましい。
イオン拡散層2は、高抵抗層であればよく、例えば、n形不純物またはp形不純物を意図的に添加されていないシリコンから構成されるアモルファスシリコン(a−Si)である。イオン拡散層2は、アモルファスシリコンの代わりにポリシリコンとすることも可能である。図3にイオン拡散層2中の酸素濃度の深さ方向プロファイルを示したとおり、イオン拡散層2は、下部電極3側に高酸素濃度領域2bを有し、上部電極1側に低酸素濃度領域2aを有する。高酸素濃度領域2bは、低酸素濃度領域2aよりも高い濃度の酸素を含有するように、酸素が意図的に添加される。低酸素濃度領域2aは、酸素は意図的に添加されない。
本実施形態の場合は、低酸素濃度領域2aの酸素濃度は、酸素を意図的に添加していないため、アモルファスシリコンの成膜装置のバックグラウンドの酸素濃度を有する。高酸素濃度領域2bは、意図的に酸素が添加され、例えば1×1020/cm3以上で膜厚方向でほぼ一定の酸素濃度を有する。低酸素濃度領域の厚さは、2nm〜10nmの範囲に設定され、例えば、5nmである。高酸素濃度領域の厚さは、2nm〜10nmの範囲に設定され、例えば、5nmである。
イオン拡散層2の上に上部電極1が設けられ、上部電極1はイオン拡散層2の上面と電気的に接続される。上部電極1は、下部電極3に対して正の電圧が印加されたときに上部電極1からイオン拡散層2へ拡散する金属から構成される。本実施形態では、上部電極1は、例えば、銀(Ag)により構成される。銀はシリコンと結合しにくいため、アモルファスシリコン中に印加された電圧により、アモルファスシリコン中を容易に拡散することができる。銀以外にも、イオン拡散層中を拡散する金属であれば、上部電極1に用いられることができる。例えば、イオン拡散層2がシリコンで形成される場合は、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、またはチタン(Ti)等を上部電極に用いることができる。
メモリセルアレイは、図2に示したように、任意の一方向に沿って延伸する複数のワード線WLと、これらのワード線に直交する方向に沿って延伸する複数のビット線BLとが交互に積層されることによって形成される。各ワード線WL間、各ビット線BL間、及び各ワード線WLと各ビット線BL間は、図示しない層間絶縁膜が設けられている。ワード線WLとビット線BLとの交差部(クロスポイント部)には、層間絶縁膜中に設けられたホールを介して、メモリセルMCが設けられ、下部電極3はワード線WLに電気的に接続される。上部電極1は、ビット線BLに電気的に接続される。
すなわち、メモリセルMCが、複数のワード線WLを面内に有する第1のワード線配線層中のワード線WL上に設けられ、下部電極3がこのワード線WLに電気的に接続される。このメモリセルMCの上部電極1の上に、この上部電極1と電気的に接続されるように、ビット線BLが設けられる。このビット線BLは、複数のビット線BLを面内に有する第1のビット線配線層を構成する。
メモリセルMCが、この第1のビット線配線層中のビット線BL上に、上記第1のワード線配線層中のワード線WL上に設けられたメモリセルとは上下逆向きになって設けられ、上部電極1がこのビット線BLに電気的に接続される。このメモリセルの下部電極3の上に、この下部電極3と電気的に接続されるように、ワード線WLが設けられる。このワード線WLは、複数のワード線WLを面内に有する第2のワード線配線層を構成する。
上記第1のワード線配線層と第2のワード線配線層との間の構造が、積層方向に繰り返されて、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイが構成される。ビット線WLとワード線WLとを選択することによって、メモリセルMCが選択され、情報の書き込み、読み込み、または消去が実施される。
次に、メモリセルMCにおける記憶保持動作に関して説明する。本実施形態に係る効果を説明するために、先ず比較例のメモリセルMCCに関して記憶保持動作の説明をする。図4に示したように、比較例のメモリセルMCCのイオン拡散層2aは、本実施形態に係るイオン拡散層2の低酸素濃度領域2aに相当する部分だけを有する。例えば、比較例に係るメモリセルMCCのイオン拡散層2aの厚さは、本実施形態に係るイオン拡散層の厚さと同じ10nmであり、比較例に係るメモリセルMCのイオン拡散層2aの酸素濃度は、本実施形態に係るイオン拡散層の低酸素濃度領域と同じ酸素濃度を有する。これ以外の構造は、比較例に係る不揮発性半導体記憶装置と本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置との間で相異はない。
ビット線BLを介して、メモリセルMCCの上部電極1に下部電極3に対して正の電圧を印加すると、上部電極1から下部電極3に向かって銀イオンがイオン拡散層2a中に拡散する。上部電極1とイオン拡散層2aとの界面で、銀イオンの濃度が高くなった部分から銀イオンがイオン拡散層2a中に析出し始める。印加電圧を上げていくと、銀のフィラメントFLが上部電極1から下部電極3に向かって伸び始める。印加電圧が閾値Vth超えると、図5(a)に示したように、フィラメントFLの先端が下部電極に達し、上部電極1から下部電極3への電流経路が形成される。これにより、上部電極から下部電極に向かって電流が流れ、メモリセルMCCはオン状態となる。これが、メモリセルMCに情報が書き込まれた状態であり、論理値「1」に相当する。印加電圧をゼロにしてもオン状態は保持される。
また、図5(b)に示したように、メモリセルMCCの上部電極1に下部電極3に対して負の電圧が印加されると、銀イオンが下部電極3側から上部電極1に向かって拡散する。逆バイアスの電圧を上げていくと、フィラメントFLが上部電極1に向かって縮んでいく。この結果、フィラメントFLの先端が下部電極3の上面から離れて電流経路が遮断され、メモリセルMCCは電流が流れなくなる。
しかしながら、印加された逆バイアス電圧が小さいうちは、大部分のフィラメントがイオン拡散層2a中に残っている。そのため、再び順バイアスの電圧を印加すれば、直ぐにフィラメントの先端が下部電極3の上面に接するため、電流が流れる。従って、メモリセルMCCは、印加される電圧が小さい場合は、すなわち、小信号電圧が印加される場合は、オン状態において整流特性を有する。ここで、逆バイアスのさらに強い電圧がメモリセルMCCに印加されると、フィラメントが上部電極1側に引き戻されて、イオン拡散層2a中でほぼ消滅し、メモリセルMCCはオフ状態となる。これがメモリセルから情報が消去された状態で、論理値「0」に相当する。このオフ状態では、順バイアスの電圧を書き込み時の閾値電圧Vth程度まで上げないと、再びオン状態となることはない。
一般に、クロスポイント型のメモリセルアレイでは、選択したメモリセルをビット線BLとワード線WLとで選択してデータを読み出すときは、選択されたメモリセルMCCは、上記小信号電圧程度の低い順バイアスの電圧が印加される。メモリセルMCCを電流が流れることを検知して情報が読み出される。非選択のビット線BLと非選択のワード線WLに接続された非選択メモリセルMCCでは、逆バイアスで同じ大きさの電圧が印加される。このため、非選択メモリセルにおいて無駄な電流が流れ消費電力を増大させる。また、この無駄な電流は、メモリセルの故障の原因にもなり得る。
従って、一般のクロスポイント形メモリセルアレイでは、メモリセルが逆バイアス時に電流が流れないように、メモリセルと直列に整流素子を備える必要がある。しかしながら、比較例及び本実施形態のCBRAMでは、上記整流特性をメモリセル自身が備えているため、メモリセルへの整流素子の直列接続は不要となる。
CBRAMでは、上記オン状態とオフ状態との切り替わり、すなわちスイッチング特性を向上するために、イオン拡散層2中の金属イオンの拡散が強くフィラメントが形成されやすいことが望ましい。比較例に係るメモリセルMCCは、上部電極1に銀を用い、イオン拡散層2aに不純物を意図的にドープしていないノンドープのアモルファスシリコンを用いている。銀イオンは、アモルファスシリコン中を比較的拡散しやすいために、フィラメント形成が容易でスイッチング特性は良好である。
しかしながら、メモリセルの微小化を進めてビットセルの向上を行う場合、フィラメント形成が強すぎると上記整流特性の不良をもたらす。すなわち、下部電極3側に銀イオンが過剰に達してフィラメントFLと下部電極3の上面との接触面積が大きすぎると、逆バイアスの小さい電圧では、フィラメントFLの先端が下部電極3の上面から離れにくくなる。このため、非選択のメモリセルで電流が流れてしまうため、消費電力の増大、またはメモリセルの劣化などが発生する。
そこで、本実施形態では、イオン拡散層2中の銀イオンの拡散をある程度抑制することで、スイッチング特性を良好に保ちながら、整流特性を良好にすることとした。以下に銀イオンの拡散を抑制する一例を説明する。
図6に示したように、酸化シリコン(SiO2)10上にアモルファスシリコン2c及び銀電極1を形成した試料を用意した。アモルファスシリコン2cは、酸素が所望の濃度にドーピングされている。熱処理をすることによって、銀電極1からアモルファスシリコン中を銀イオンが拡散し、酸化シリコン10の表面に達したところでアモルファスシリコン2cと酸化シリコン10との界面に銀が偏析する。熱処理は、400℃の真空中で行った。図7は、このときのアモルファスシリコン(a−Si)2cと酸化シリコン(SiO2)10との界面の銀の偏析濃度と、アモルファスシリコン2c中の酸素濃度と、の関係を示す。なお、銀の偏析濃度は、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)にて酸素の深さ方向プロファイルを分析した際の、銀濃度のピーク値である。
図7からわかるように、アモルファスシリコン2c中の酸素濃度が増加すると共に、アモルファスシリコン2cと酸化シリコン10との界面の銀の偏析濃度が指数関数的に減少する。酸素濃度が1×1020/cm3を超えたあたりから、銀の偏析濃度の減少は飽和傾向になる。銀の偏析濃度の低下は、銀イオンが銀電極1から酸化シリコン10に向かってアモルファスシリコン2c中を拡散することが抑制されていること、を意味する。従って、アモルファスシリコン2c中の酸素濃度が高いほど、アモルファスシリコン中の銀イオンの拡散が抑制される。特に、アモルファスシリコン2c中の酸素濃度が1×1020/cm3を超えると、銀イオンのアモルファスシリコン中の拡散の抑制は飽和し始める。このため、アモルファスシリコン2cで銀イオンは安定して拡散が抑制され、バラツキが少ない。
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置では、アモルファスシリコンに酸素を高い濃度で含有させることで、銀のアモルファスシリコン中の拡散が抑制される効果を応用している。図1に示したように、本実施形態に係るメモリセルMCは、比較例に係るメモリセルMCCと比べてイオン拡散層中に高酸素濃度領域2bを有する。これにより、銀がイオン拡散層2中を過剰に拡散することによって、銀のフィラメントFLが下部電極3に過剰に電気的にコンタクトすることを抑制する。
図8に示したように、本実施形態に係るメモリセルMCでは、メモリセルに順バイアスの電圧を印加して電圧を上昇させると、イオン拡散層2の低酸素濃度領域2aでは、急激に銀イオンが拡散し、銀のフィラメントFLが急激に下部電極に向かって延伸する。高酸素濃度領域2bでは、低酸素濃度領域2aよりも酸素濃度が高いため、銀イオンの拡散速度が小さい。このため、フィラメントFLが高酸素濃度領域2bの上面に達すると、フィラメントFLは、低酸素濃度領域2aでは、高酸素濃度領域2bの上面と平行な面内方向にさらに成長を続ける。これに対して、高酸素濃度領域2bでは、フィラメントFLは、低酸素濃度領域と比べてゆっくりと下部電極3に向かって延伸する。この結果、高酸素濃度領域2bでは、印加電圧を制御して、フィラメントFLが水平方向にあまり成長しない状態で、フィラメントFLが下部電極3の上面に到達して電気的に接続されることができる。上記のように、書き込みが行われ、メモリセルMCはオン状態となる。
本実施形態に係るメモリセルMCでは、オン状態において、フィラメントFLの先端が下部電極3の上面に過剰にコンタクトすることがない。そのため、読み出し時にメモリセルに小信号電圧を順方向及び逆方向に印加したときに、フィラメントFLが、容易に下部電極3と接続したり、容易に下部電極3から切断されることができる。すなわち、メモリセルMCは良好な整流特性を有する。さらに、高酸素濃度領域2bの酸素濃度を1×1020/cm3以上とすることで、銀イオンの拡散の抑制効果は飽和する傾向にあるので、メモリセルMC間において、整流特性のバラツキが少なく、整流特性を安定させることができる。
これに対して、比較例に係るメモリセルMCCでは、イオン拡散層2aがノンドープのアモルファスシリコンだけで構成されているので、書き込み時に、銀のフィラメントFLが急激に下部電極3に向かって延伸する。このため、本実施形態に係るメモリセルMCと比べると、フィラメントFLの先端が下部電極3に達した時点でフィラメントFLの成長を止めるように、印加電圧の大きさを制御することが難しい。この結果、比較例に係るメモリセルMCCでは、フィラメントFLの先端が下部電極3と過剰にコンタクトしてしまう。例えば、フィラメントFLが、下部電極3の上面と平行な面内方向にさらに成長し、フィラメントFLと下部電極3との接触断面積が過剰に大きく形成されるなどが考えられる。
フィラメントFLの先端が下部電極3と過剰にコンタクトしてしまうと、メモリセルMCCに逆方向電圧を印加しても、容易にフィラメントFLが下部電極3から切断されない。すなわち、比較例に係るメモリセルMCCでは、本実施形態に係るメモリセルMCと比較して、良好な整流特性が得られにくく、メモリセルMCC間の整流特性のバラツキも大きい。また、メモリセルMCCの逆方向電流も増大する虞もある。
また、本実施形態に係るMCでは、イオン拡散層2は高酸素濃度領域2bの上部に低酸素濃度領域2aを有する。アモルファスシリコンは、酸素濃度が高くなるほど、金属電極との密着性が劣る傾向にある。このため、イオン拡散層2を高酸素濃度領域2bのみで構成すると、上部電極1との密着性が悪くなり、上部電極1とイオン拡散層2との界面にボイドの発生などが起こり電極剥がれを引き起こす。この結果、メモリセルMCの動作不良が発生し、メモリセルMCの歩留まり低下を引き起こす。
このため、本実施形態に係るメモリセルMCでは、イオン拡散層2は低酸素濃度領域2aと高酸素濃度領域2bとを有するように形成され、上部電極1は、低酸素濃度領域2aの上面と密着させられる。その結果、本実施形態に係るメモリセルMCは、電極剥がれの発生が抑制され、歩留まりが高い。またメモリセルMC間で、動作特性のバラツキが少なく、メモリセルMCの動作は、メモリセルMC間で安定している。
さらに、低酸素濃度領域2aでは、高酸素濃度領域2bに比べて銀イオンの拡散速度が速い。このため、低酸素濃度領域2aでは、高酸素濃度領域2bに比べて銀のフィラメントが確実に形成される。また、メモリセルの逆バイアス方向に電圧が印加されても、低酸素濃度領域2aでは、フィラメントが確実に形成されているため、フィラメントFLが上部電極側に縮んで消失し難いので、消去電圧が大きい。すなわち、高酸素濃度領域2bは、メモリセルMCの整流特性を良好にする一方、低酸素濃度領域2aは、オン状態とオフ状態を確実に作り出し、さらに耐久性の高いスイッチング特性を実現する。また、低酸素濃度領域2aは、イオン拡散層2と上部電極1との密着性を向上させる。
以上、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、メモリセルMCのイオン拡散層2が低酸素濃度領域2aと高酸素濃度領域2bとを有することにより、良好な整流特性及び耐久性が高いスイッチング特性を有することができる。また、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置では、イオン拡散層2と上部電極1との密着性が高くなるので、メモリセルの歩留まりが高い。
本実施形態では、下部電極3がn形ポリシリコンである場合で説明した。この場合、メモリセルMCに逆バイアスの電圧が印加されたときに、下部電極3とイオン拡散層2との界面から下部電極3側に空乏層が広がるので、フィラメントFLの先端が下部電極3とさらに確実に電気的に切断される。この結果、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、さらに整流特性が顕著となる。
下部電極3がp形ポリシリコンの場合は、メモリセルMCに逆バイアスの電圧が印加された時に下部電極3内に空乏層が形成されない。この結果、下部電極3がn形ポリシリコンの場合に比べて、メモリセルMCの整流特性は劣るが、少なくとも、フィラメントFLが上部電極1側に引き戻されることによる整流特性を有する。従って、下部電極3にp形ポリシリコンを有する場合でも、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の上記効果を得ることができる。
また、下部電極3を金属とすることも可能である。この場合、イオン拡散層2に熱拡散しにくい金属材料であれば、そのような金属で下部電極3を形成することが可能である。例えば、イオン拡散層がシリコンである場合は、窒化チタン(TiN)、モリブデン(Mo)、またはタンタル(Ta)等を用いることができる。
本実施形態では、イオン拡散層2はアモルファスシリコンの例で説明したが、ポリシリコンを用いることも可能である。また、窒化シリコン(SiN)、酸化シリコン(SiOx)、または酸窒化シリコン(SiNOx)を用いることができる。さらにまた、酸化チタン(TiOx)、酸化コバルト(CoOx)、酸化ニッケル(NiOx)、酸化銅(CuOx)、酸化モリブデン(MoOx)、または酸化ハフニウム(HfOx)等の遷移金属の酸化物を用いることができる。イオン拡散層2に酸化物を用いる場合は、酸化物を成膜する際の酸素原料の供給を調節することにより、低酸素濃度領域2aと高酸素濃度領域2bとを形成することができる。
なお、本実施形態では、イオン拡散層2の低酸素濃度領域2aは、ノンドープのアモルファスシリコンを例に説明したが、酸素がドーピングされたものを用いることも可能である。すなわち、低酸素濃度領域2aは、深さ方向にほぼ均一な濃度の酸素を含有するように形成されてもよい。この場合、低酸素濃度領域2aの酸素濃度は、高酸素濃度領域2bの酸素濃度に比べて銀イオンの拡散速度に差が出るほど十分に低ければよい。上記のように酸素を意図的にドープする場合は、酸素濃度は、上部電極1からイオン拡散層2への金属の拡散を確実にするため、及び上部電極1とイオン拡散層2の密着性を良好にするためには、1×1020/cm3以下、好ましくは1×1019/cm3以下に設定される。
本実施形態では、イオン拡散層2の低酸素濃度領域2aの膜厚は5nmを例としたが、メモリセルへの書き込み電圧を低減したい場合は、10nm以下、好ましくは5nm以下とする必要がある。低酸素濃度不純物領域2aの膜厚は、逆方向電流を低減したい場合は、3nm以上に設定することが望ましい。
また、本実施形態では、高酸素濃度不純物領域2bの酸素濃度は、前述のように、金属の拡散を確実に抑制するために、1×1020/cm3以上であることが望ましい。プロセスの耐熱性を確保するためには、酸素濃度不純物領域2bの酸素濃度は2×1022/cm3以上とすることが望ましい。
また、本実施形態では、高酸素濃度不純物領域2bの膜厚は、5nmを例としたが、メモリセルへの書き込み電圧を低減したい場合は、10nm以下、好ましくは5nm以下が望ましい。高酸素濃度不純物領域2bの膜厚は、逆方向電流を低減したい場合は、3nm以上とすることが望ましい。
また、低酸素濃度領域2a及び高酸素濃度領域2bの酸素濃度は、深さ方向で均一でない場合は、深さ方向の平均値で上記濃度に設定されればよい。
本実施形態では、上部電極1は、銀を用いた例で説明した。しかしながら、上部電極1に下部電極3に対して正の電圧を印加したときに、上部電極1からイオン拡散層中に拡散する金属元素であれば、上部電極1は、他の金属元素で形成されることも可能である。例えば、イオン拡散層2がシリコンから構成される場合、上部電極1は、Cu、Al、Co、Ni、またはTiから構成されることが可能である。
次に、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を図9〜図14を用いて説明する。図9〜図14は、それぞれ、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造工程の一部を示す要部模式断面図である。
図示を省略するが、シリコン基板上にMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やコンタクト層などで形成されたメモリセルアレイの制御部が形成される。これら制御部の上には、これらを上部と絶縁するために、層間絶縁膜9が形成される。層間絶縁膜9は、例えば酸化シリコンであるが、絶縁体であれば、他の窒化シリコンまたは酸窒化シリコン等を用いることも可能である。図9に示したように、層間絶縁膜9の表面にはタングステン(W)等の金属を用いてダマシン法によりワード線WLが形成される。ワード線WLは、導電性材料であれば導電性のポリシリコンなどでも可能である。ワード線WLは、紙面奥行き方向にストライプ状に延伸し、紙面水平方向に複数個配列されて、第1のワード線配線層を構成する。
次に、図10に示したように、層間絶縁膜9の表面上及び複数のワード線WLを全て覆うように、バリアメタル層4、下部電極3、イオン拡散層2、上部電極1、バリアメタル層5、ビット線コンタクトメタル層6が、順次形成される。バリアメタル層5は、例えば、ルテニウム(Ru)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、ハフニウム(Hf)、またはアルミニウム(Al)により構成されることができる。バリアメタル4は、ワード線WLが下部電極3中に拡散することを抑制する。ワード線WLと下部電極3との拡散が問題にならない場合は、バリア層4は必ずしも必要ない。
イオン拡散層2は、アモルファスシリコンをCVD法により成膜することによって形成される。イオン拡散層2は、下部電極3と電気的に接続される側に高酸素濃度領域2bを有し、上部電極1と電気的に接続される側に低酸素濃度領域2aを有する。高酸素濃度領域2bは、アモルファスシリコンの成膜中に酸素原料を供給し、それ以外の不純物原料は供給しないことにより形成される。低酸素濃度領域2aは、本実施形態の場合は、ノンドープでアモルファスシリコンを成膜することにより形成される。低酸素濃度領域2aに酸素を意図的に含ませる場合は、高酸素濃度領域2bよりも酸素原料の供給を少なくしてアモルファスシリコンを成膜することによって、低酸素濃度領域2aが形成される。
上部電極1は、銀により構成される。バリア層5は、バリア層4と同じ材料で構成される。バリア層5は、上部電極1とビット線コンタクトメタル6とが混在しないようにするために設けられる。ビット線コンタクトメタル6は、タングステンなどの金属により構成される。ビット線コンタクトメタル6は、この後に形成するビット線BLとの電気的接続を良好なものにするために設けられる。ビット線コンタクトメタル6は、導電性材料であればよく、他の金属または導電性のポリシリコンでも可能である。
次に、図11に示したように、図示しないマスクを用いて、RIEによりビット線コンタクトメタル6、バリア層5、上部電極1、イオン拡散層2、下部電極3、及びバリア層4をエッチングする。この結果、第1のワード線配線層中の各ワード線WLの上に、バリアメタル4、下部電極3、イオン拡散層2、上部電極1、バリアメタル5、及びビット線コンタクトメタル6の積層体のピラー(柱状構造)が形成される。このピラーは、ワード線WLの延伸する方向に、離間して複数個形成される。ピラーは、下部電極3、イオン拡散層2、及び上部電極1から構成されるメモリセルMCを含む。この複数のピラーにより、第1のメモリセル層が構成される。ピラーは、底部のバリアメタル4により第1のワード線配線層中のワード線WLと電気的に接続される。
次に、図12に示したように、上記複数のピラー間に埋め込まれるように、層間絶縁膜9が形成される。層間絶縁膜9は、上記複数のピラーの上部を覆うように形成される。その後、CMP法により層間絶縁膜9の上部を平坦化する。図示しないマスクを用いて、層間絶縁膜9の表面にビット線コンタクトメタル6へ到達し、ワード線WLと直交する方向に延伸する図示しないトレンチをRIE法により形成する。
その後、図13に示したように、層間絶縁膜9のトレンチ内に埋め込まれるようにビット線BLがダマシン法により形成される。この結果、ワード線WLと直交する方向に延伸し、ビット線コンタクトメタル6と電気的に接続されたビット線BLが、第1のワード線配線層と平行な面内に複数個形成される。この複数のビット線BLは、第1のビット線配線層を構成する。
次に、図14に示したように、複数のビット線BL上及び層間絶縁膜9上を覆うように、バリアメタル5、上部電極1、イオン拡散層2、下部電極3、バリアメタル4、及びワード線コンタクトメタル7を順次形成する。メモリセルMCを構成する上部電極1、イオン拡散層2、及び下部電極3の積層順番は、第1のメモリセル層中の順番と上下反対の順番となる。イオン拡散層2中の低酸素濃度領域2a及び高酸素濃度領域2bの積層順番も同様に第1のメモリセル層中の順番と上下反対の順番である。ワード線コンタクトメタル7は、タングステンなどの金属により構成される。ワード線コンタクトメタル7は、この後に形成するワード線WLとの電気的接続を良好なものにするために設けられる。ワード線コンタクトメタル7は、導電性材料であればよく、他の金属または導電性のポリシリコンでも可能である。
次に図示しないマスクを用いて第1のメモリセル層中の複数のピラーの形成と同様にして、RIE法により、ワード線コンタクトメタル7、バリアメタル4、下部電極3、イオン拡散層2、上部電極1、及びバリアメタル5をエッチングする。この結果、第1のビット線配線層中の各ビット線BLの上に、バリアメタル5、上部電極1、イオン拡散層2、下部電極3、バリアメタル4、及びワード線コンタクトメタル7の積層体のピラーが形成される。このピラーは、ビット線BLの延伸する方向に、離間して複数個形成される。ピラーは、下部電極3、イオン拡散層2、及び上部電極1から構成されるメモリセルMCを含む。この複数のピラーにより第2のメモリセル層が構成される。ピラーは、底部のバリアメタル5により第1のビット線配線層中のビット線BLと電気的に接続される。
次に、図12と同様にして、上記複数のピラー間に埋め込まれるように、第1のビット線配線層中の層間絶縁膜9上及び複数のビット線BL上に、層間絶縁膜9がさらに形成される。層間絶縁膜9は、上記複数のピラーの上部を覆うように形成される。その後、CMP法により層間絶縁膜9の上部を平坦化する。図示しないマスクを用いて、層間絶縁膜9の表面にワード線コンタクトメタル7へ到達し、第1のワード線配線層中のワード線WLと同一方向に延伸する図示しないトレンチをRIE法により形成する。
その後、図14に示したように、層間絶縁膜9のトレンチ内に埋め込まれるようにワード線WLがダマシン法により形成される。この結果、第1のワード線配線層中のワード線WLと同一方向に延伸し、ワード線コンタクトメタル7と電気的に接続されたワード線WLが、第1のワード線配線層と平行な面内に複数個形成される。この複数のワード線WLは、第2のワード線配線層を構成する。
以後、第1のワード線配線層、第1のメモリセル層、第1のビット線配線層、及び第2のメモリセル層の製造工程を繰り返し実施することにより、メモリセルMCが三次元的に形成されたメモリセルアレイを有する、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置が提供される。
(第2の実施形態)
第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を図15を用いて説明する。図15は第2の実施形態に係る不揮発背半導体記憶装置のイオン拡散層2中の酸素濃度の分布を示す図である。なお、第1の実施形態で説明した構成と同じ構成の部分には同じ参照番号または記号を用いその説明は省略する。第1の実施形態との相異点について主に説明する。
第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を図15を用いて説明する。図15は第2の実施形態に係る不揮発背半導体記憶装置のイオン拡散層2中の酸素濃度の分布を示す図である。なお、第1の実施形態で説明した構成と同じ構成の部分には同じ参照番号または記号を用いその説明は省略する。第1の実施形態との相異点について主に説明する。
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルMCの断面構造は、図1に示した第1の実施形態に係るメモリセルの断面構造と同じである。本実施形態に係るメモリセルMCは、イオン拡散層2中の酸素濃度の深さ方向プロファイルが第1の実施形態と相異する。本実施形態に係るメモリセルMCのイオン拡散層2中の酸素濃度の深さ方向プロファイルは図15に示したとおりである。
イオン拡散層2中の酸素濃度は、イオン拡散層2と上部電極1との界面からイオン拡散層2と下部電極3との界面に向かって単調に増加する。第1の実施形態に係るイオン拡散層2中の酸素濃度プロファイルと違い、本実施形態に係るイオン拡散層2中の酸素濃度プロファイルには、明確な低酸素濃度領域2aと高酸素濃度領域2bとの境界は無い。しかしながら、便宜的にイオン拡散層2中の上部電極1側を低酸素濃度領域2aとし、残りの下部電極3側を高酸素濃度領域2bとする。低酸素濃度領域2aと高酸素濃度領域2bとの境界は任意に考えればよい。いずれを境界にしたとしても、高酸素濃度領域2bの任意の深さにおける酸素濃度は、低酸素濃度領域2aのいかなる深さの酸素濃度よりも高い。また、いずれを境界にしたとしても、高酸素濃度領域2bの深さ方向における酸素濃度の平均値は、低酸素濃度領域2bの酸素濃度の平均値よりも高い。
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置においても第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置と同様に、イオン拡散層2中に高酸素濃度領域2bが設けられることにより、銀イオンの過剰な拡散が抑制される。このため、逆方向電流が抑制され、整流特性が良好となる。また、イオン拡散層2中に低酸素濃度領域2aが設けられることにより、イオン拡散層2と上部電極1との密着性が良好となり、メモリセルMCの歩留まりが向上する。さらに、低酸素濃度領域2aでは、銀イオンの拡散が良好なため、メモリセルMCのスイッチング特性が良好となり耐久性も高い。
(第3の実施形態)
第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を図16を用いて説明する。図16は第3の実施形態に係る不揮発背半導体記憶装置のイオン拡散層2中の酸素濃度の分布を示す図である。なお、第1の実施形態で説明した構成と同じ構成の部分には同じ参照番号または記号を用いその説明は省略する。第1の実施形態との相異点について主に説明する。
第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を図16を用いて説明する。図16は第3の実施形態に係る不揮発背半導体記憶装置のイオン拡散層2中の酸素濃度の分布を示す図である。なお、第1の実施形態で説明した構成と同じ構成の部分には同じ参照番号または記号を用いその説明は省略する。第1の実施形態との相異点について主に説明する。
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルMCの断面構造は、図1に示した第1の実施形態に係るメモリセルの断面構造と同じである。本実施形態に係るメモリセルMCは、イオン拡散層2中の酸素濃度の深さ方向プロファイルが第1の実施形態と相異する。本実施形態に係るメモリセルMCのイオン拡散層2中の酸素濃度の深さ方向プロファイルは図16に示したとおりである。
本実施形態に係るメモリセルMCのイオン拡散層2は、第1の実施形態に係るメモリセルMCのイオン拡散層2と同様に、厚さが5nmの低酸素濃度領域2aと厚さが5nmの高酸素濃度領域2bとを有する。図16に示したように、本実施形態に係る低酸素濃度領域2a中の酸素濃度は、上部電極1とイオン拡散層2との界面から低酸素濃度領域2aと高酸素濃度領域2bとの境界まで単調に増加する。高酸素濃度領域2bの酸素濃度は、低酸素濃度領域2aと高酸素濃度領域2bとの境界において低酸素濃度領域2aの酸素濃度より高く、イオン拡散層2と下部電極3との界面まで単調に増加する。この点において、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置と相異する。
高酸素濃度領域2bの任意の深さにおける酸素濃度は、低酸素濃度領域2aのいかなる深さの酸素濃度よりも高い。また、高酸素濃度領域2bの深さ方向における酸素濃度の平均値は、低酸素濃度領域2bの深さ方向における酸素濃度の平均値よりも高い。
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置においても第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置と同様に、イオン拡散層2中に高酸素濃度領域2bが設けられることにより銀イオンの過剰な拡散が抑制される。このため、逆方向電流が抑制され、整流特性が良好となる。また、イオン拡散層2中に低酸素濃度領域2aが設けられることにより、イオン拡散層2と上部電極1との密着性が良好となり、メモリセルMCの歩留まりが向上する。さらに、低酸素濃度領域2aでは、銀イオンの拡散が良好なため、メモリセルMCのスイッチング特性が良好となり耐久性も高い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
本発明の実施形態は、他に、以下の付記に記載される構成が考えられる。
(付記1)
第1の方向に延伸する導電性材料からなるワード線と、前記ワード線上に設けられ前記ワード線に電気的に接続された第1の電極と、前記ワード線と反対側で前記第1の電極上に設けられ、前記第1の電極に電気的に接続された高抵抗のイオン拡散層と、前記ワード線と反対側で前記イオン拡散層上に設けられ、前記第1の電極と比べて正の電圧が印加されると前記イオン拡散層中に金属を供給する第2の電極と、前記ワード線と反対側で前記第2の電極上に設けられ、前記第2の電極に電気的に接続され、前記第1の方向と直交する第2の方向に延伸する導電性材料からなるビット線と、を備え、前記第2の電極は、前記イオン拡散層中に供給される前記金属により構成され、前記イオン拡散層は、前記ワード線側で前記ビット線側よりも高濃度に酸素を含有し、前記イオン拡散層は、低酸素濃度領域を前記ビット線側に有し、前記低酸素濃度領域よりも酸素濃度が高い高酸素濃度領域をワード線側に有し、前記高酸素濃度領域の平均酸素濃度は、前記低酸素濃度領域の平均酸素濃度よりも高く、前記低酸素濃度領域は、酸素を意図的に含まないように形成され、前記高酸素濃度領域は、酸素を意図的に含むように形成され、前記高酸素濃度領域は、全領域で酸素濃度が1×1020/cm3以上であり、前記イオン拡散層は、アモルファスシリコンにより構成され、前記第2の電極は、Agにより構成され、前記第1の電極は、n形の導電性ポリシリコンにより構成されている、不揮発性半導体記憶装置。
第1の方向に延伸する導電性材料からなるワード線と、前記ワード線上に設けられ前記ワード線に電気的に接続された第1の電極と、前記ワード線と反対側で前記第1の電極上に設けられ、前記第1の電極に電気的に接続された高抵抗のイオン拡散層と、前記ワード線と反対側で前記イオン拡散層上に設けられ、前記第1の電極と比べて正の電圧が印加されると前記イオン拡散層中に金属を供給する第2の電極と、前記ワード線と反対側で前記第2の電極上に設けられ、前記第2の電極に電気的に接続され、前記第1の方向と直交する第2の方向に延伸する導電性材料からなるビット線と、を備え、前記第2の電極は、前記イオン拡散層中に供給される前記金属により構成され、前記イオン拡散層は、前記ワード線側で前記ビット線側よりも高濃度に酸素を含有し、前記イオン拡散層は、低酸素濃度領域を前記ビット線側に有し、前記低酸素濃度領域よりも酸素濃度が高い高酸素濃度領域をワード線側に有し、前記高酸素濃度領域の平均酸素濃度は、前記低酸素濃度領域の平均酸素濃度よりも高く、前記低酸素濃度領域は、酸素を意図的に含まないように形成され、前記高酸素濃度領域は、酸素を意図的に含むように形成され、前記高酸素濃度領域は、全領域で酸素濃度が1×1020/cm3以上であり、前記イオン拡散層は、アモルファスシリコンにより構成され、前記第2の電極は、Agにより構成され、前記第1の電極は、n形の導電性ポリシリコンにより構成されている、不揮発性半導体記憶装置。
(付記2)
第1の方向に延伸する導電性材料からなるワード線と、前記ワード線上に設けられ前記ワード線に電気的に接続された第1の電極と、前記ワード線と反対側で前記第1の電極上に設けられ、前記第1の電極に電気的に接続された高抵抗のイオン拡散層と、前記ワード線と反対側で前記イオン拡散層上に設けられ、前記第1の電極に比べて正の電圧が印加されると前記イオン拡散層中に金属を供給する第2の電極と、前記ワード線と反対側で前記第2の電極上に設けられ、前記第2の電極に電気的に接続され、前記第1の方向と直交する第2の方向に延伸する導電性材料からなるビット線と、を備え、前記第2の電極は、前記イオン拡散層中に供給される前記金属により構成され、前記イオン拡散層は、前記ワード線側で前記ビット線側よりも高濃度に酸素を含有する、不揮発性半導体記憶装置。
第1の方向に延伸する導電性材料からなるワード線と、前記ワード線上に設けられ前記ワード線に電気的に接続された第1の電極と、前記ワード線と反対側で前記第1の電極上に設けられ、前記第1の電極に電気的に接続された高抵抗のイオン拡散層と、前記ワード線と反対側で前記イオン拡散層上に設けられ、前記第1の電極に比べて正の電圧が印加されると前記イオン拡散層中に金属を供給する第2の電極と、前記ワード線と反対側で前記第2の電極上に設けられ、前記第2の電極に電気的に接続され、前記第1の方向と直交する第2の方向に延伸する導電性材料からなるビット線と、を備え、前記第2の電極は、前記イオン拡散層中に供給される前記金属により構成され、前記イオン拡散層は、前記ワード線側で前記ビット線側よりも高濃度に酸素を含有する、不揮発性半導体記憶装置。
(付記3)
前記イオン拡散層は、低酸素濃度領域を前記ビット線側に有し、前記低酸素濃度領域よりも酸素濃度が高い高酸素濃度領域をワード線側に有する付記2記載の不揮発性半導体記憶装置。
前記イオン拡散層は、低酸素濃度領域を前記ビット線側に有し、前記低酸素濃度領域よりも酸素濃度が高い高酸素濃度領域をワード線側に有する付記2記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記4)
前記高酸素濃度領域の平均酸素濃度は、前記低酸素濃度領域の平均酸素濃度よりも高い付記3の不揮発性半導体記憶装置。
前記高酸素濃度領域の平均酸素濃度は、前記低酸素濃度領域の平均酸素濃度よりも高い付記3の不揮発性半導体記憶装置。
(付記5)
前記低酸素濃度領域は、酸素を意図的に含まないように形成され、前記高酸素濃度領域は、酸素を意図的に含むように形成された付記3または4に記載の不揮発性半導体記憶装置。
前記低酸素濃度領域は、酸素を意図的に含まないように形成され、前記高酸素濃度領域は、酸素を意図的に含むように形成された付記3または4に記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記6)
前記高酸素濃度領域は、全領域で酸素濃度が1×1020/cm3以上である付記3〜5のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
前記高酸素濃度領域は、全領域で酸素濃度が1×1020/cm3以上である付記3〜5のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記7)
前記イオン拡散層は、Siにより構成される付記2〜6のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
前記イオン拡散層は、Siにより構成される付記2〜6のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記8)
前記イオン拡散層は、アモルファスシリコンにより構成される付記7記載の不揮発性半導体記憶装置。
前記イオン拡散層は、アモルファスシリコンにより構成される付記7記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記9)
前記イオン拡散層は、SiN、SiOx、SiNOx、TiOx、CoOx、NiOx、CuOx、MoOx、HfOxのうちのいずれか1つにより構成される付記2〜6いずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
前記イオン拡散層は、SiN、SiOx、SiNOx、TiOx、CoOx、NiOx、CuOx、MoOx、HfOxのうちのいずれか1つにより構成される付記2〜6いずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記10)
前記第2の電極は、Ag、Cu、Al、Co、Ni、Ti、のうちのいずれか1つにより構成されている付記2〜9のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
前記第2の電極は、Ag、Cu、Al、Co、Ni、Ti、のうちのいずれか1つにより構成されている付記2〜9のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記11)
前記第1の電極は、n形の導電性ポリシリコンにより構成される付記2〜10のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
前記第1の電極は、n形の導電性ポリシリコンにより構成される付記2〜10のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記12)
前記第1の電極は、p形の導電性ポリシリコンにより構成される付記2〜10のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
前記第1の電極は、p形の導電性ポリシリコンにより構成される付記2〜10のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記13)
前記第1の電極は、TiN、Mo、Taのうちのいずれか1つにより構成される付記2〜10のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
前記第1の電極は、TiN、Mo、Taのうちのいずれか1つにより構成される付記2〜10のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記14)
前記イオン拡散層中において、前記ビット線側から前記ワード線側に向かって酸素濃度が単調増加する付記2〜13のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
前記イオン拡散層中において、前記ビット線側から前記ワード線側に向かって酸素濃度が単調増加する付記2〜13のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
1 上部電極
2 イオン拡散層
2a 低酸素濃度領域
2b 高酸素濃度領域
3 下部電極
4、5 バリアメタル
6 ビット線コンタクトメタル
7 ワード線コンタクトメタル
9 層間絶縁膜
10 酸化シリコン
BL ビット線
FL フィラメント
WL ワード線
2 イオン拡散層
2a 低酸素濃度領域
2b 高酸素濃度領域
3 下部電極
4、5 バリアメタル
6 ビット線コンタクトメタル
7 ワード線コンタクトメタル
9 層間絶縁膜
10 酸化シリコン
BL ビット線
FL フィラメント
WL ワード線
Claims (6)
- 第1の方向に延伸する導電性材料からなるワード線と、
前記ワード線上に設けられ前記ワード線に電気的に接続された第1の電極と、
前記ワード線と反対側で前記第1の電極上に設けられ、前記第1の電極に電気的に接続された高抵抗のイオン拡散層と、
前記ワード線と反対側で前記イオン拡散層上に設けられ、前記第1の電極と比べて正の電圧が印加されると前記イオン拡散層中に金属を供給する第2の電極と、
前記ワード線と反対側で前記第2の電極上に設けられ、前記第2の電極に電気的に接続され、前記第1の方向と直交する第2の方向に延伸する導電性材料からなるビット線と、
を備え、
前記第2の電極は、前記イオン拡散層中に供給される前記金属により構成され、
前記イオン拡散層は、前記ワード線側で前記ビット線側よりも高濃度に酸素を含有し、
前記イオン拡散層は、低酸素濃度領域を前記ビット線側に有し、前記低酸素濃度領域よりも酸素濃度が高い高酸素濃度領域をワード線側に有し、
前記高酸素濃度領域は、全領域で酸素濃度が1×1020/cm3以上である、
不揮発性半導体記憶装置。 - 第1の方向に延伸する導電性材料からなるワード線と、
前記ワード線上に設けられ前記ワード線に電気的に接続された第1の電極と、
前記ワード線と反対側で前記第1の電極上に設けられ、前記第1の電極に電気的に接続された高抵抗のイオン拡散層と、
前記ワード線と反対側で前記イオン拡散層上に設けられ、前記第1の電極に比べて正の電圧が印加されると前記イオン拡散層中に金属を供給する第2の電極と、
前記ワード線と反対側で前記第2の電極上に設けられ、前記第2の電極に電気的に接続され、前記第1の方向と直交する第2の方向に延伸する導電性材料からなるビット線と、
を備え、
前記第2の電極は、前記イオン拡散層中に供給される前記金属により構成され、
前記イオン拡散層は、前記ワード線側で前記ビット線側よりも高濃度に酸素を含有する、
不揮発性半導体記憶装置。 - 前記イオン拡散層は、低酸素濃度領域を前記ビット線側に有し、前記低酸素濃度領域よりも酸素濃度が高い高酸素濃度領域をワード線側に有する請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記高酸素濃度領域は、全領域で酸素濃度が1×1020/cm3以上である請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記イオン拡散層は、Siにより構成される請求項2〜4のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記イオン拡散層は、SiN、SiOx、SiNOx、TiOx、CoOx、NiOx、CuOx、MoOx、HfOxのうちのいずれか1つにより構成される請求項2〜4のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
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