JP2015103695A - 相変化メモリおよび半導体記録再生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、Sn(錫)、Sb(アンチモン)、Te(テルル)を含有し、かつ、SnとTeとの結合力やSbとTeとの結合力よりもTeとの結合力が強い元素Xを含有する記録再生膜を備える。ここで、記録再生膜は、(SnXSb)Te合金相を有し、この(SnXSb)Te合金相は、自己組織化超格子構造を含む。
【選択図】図5
Description
<関連技術の説明>
例えば、特許文献2(特願2013−048050号)および非特許文献3(Soeya et al., Appl. Phys. Lett. 103, 053103 (2013))には、Sn(錫)、Sb(アンチモン)およびTe(テルル)を含有する膜から記録再生膜を構成する相変化メモリが記載されている。具体的に、上述した特許文献2には、SnXTe100−X膜とSb2Te3膜とを交互に積層することにより形成されたSnXTe100−X/Sb2Te3超格子膜を記録再生膜に使用する超格子相変化メモリが記載されている。ここで、特許文献2に記載されている超格子相変化メモリをSnXTe100−X/Sb2Te3超格子相変化メモリと呼ぶ。
ただし、上述した特許文献2では、SnXTe100−X/Sb2Te3超格子相変化メモリの低電力動作メカニズムについて完全に解明しておらず、(1)SnTe/Sb2T3超格子相で低電力動作している可能性と、(2)SnSbTe合金相で低電力動作をしている可能性が考えられると説明している。
このようにSn原子が移動しやすいということは、SnXTe100−X/Sb2Te3超格子相変化メモリの低電力動作を実現する観点から有用であるが、リテンション特性、すなわち、データ保持特性の観点からは、改善の余地が存在することになる。
図1は、本実施の形態1における相変化メモリの要部であるメモリ部の模式的な構成を示す断面図である。図1に示すように、メモリ部MUは、下部電極BEを有し、この下部電極BE上にシード層SDLが形成されている。そして、このシード層SDL上に下地膜FDFが形成され、下地膜FDF上に記録再生膜MRFが形成されている。さらに、記録再生膜MRF上には、上部電極UEが形成されている。これらの膜は、例えば、スパッタリング法により形成することができる。
そして、本実施の形態1の特徴点は、上述した第1条件を満たす元素Xが、さらに、SnとTeとの結合力やSbとTeとの結合力よりもTeとの結合力が強い元素である点にある(第2条件)。これにより、本実施の形態1における(SnXSb)Te/Sb2Te3超格子相変化メモリによれば、上述した第1条件および第2条件を満たす元素Xを導入することにより、リテンション特性の向上を図ることができる。
図4は、元素XがGeの場合において、(SnGeSb)/Sb2Te3超格子膜のX線回折プロファイルを示す図である。図4に示すように、NaCl型の(SnGeSb)Te合金相のピークのみが観測されている。このことから、(SnGeSb)/Sb2Te3超格子膜は、大部分が(SnGeSb)Te合金相から構成されていることがわかる。そして、図4から他相が観測されていないため、Geは(SnGeSb)Te合金相の中の(Sn、Sb)層に固溶していると考えられる。
図8は、元素XがAlの場合において、(SnAlSb)/Sb2Te3超格子膜のX線回折プロファイルを示す図である。図8に示すように、NaCl型の(SnAlSb)Te合金相のピークのみが観測されている。このことから、(SnAlSb)/Sb2Te3超格子膜は、大部分が(SnAlSb)Te合金相から構成されていることがわかる。そして、図8から他相が観測されていないため、Alは(SnAlSb)Te合金相の中の(Sn、Sb)層に固溶していると考えられる。
本実施例3では、元素Xとして、Mn原子およびCr原子を使用する例について説明する。MnおよびCrは、テルル化物に対して固溶する特性を有していると考えられる。このことから、MnやCrが自己組織化超格子構造の(Sn、Sb)層に固溶して、自己組織化超格子構造を破壊することなく、(Sn、Mn、Sb)層や(Sn、Cr、Sb)層を形成すると考えることができる。
本実施例4では、元素Xとして、Mo原子、Nb原子、V原子あるいはSi原子を使用する例について説明する。Mo、Nb、V、Siは、テルル化物に対して固溶する特性を有していると考えられる。このことは、Mo、Nb、V、Siが自己組織化超格子構造の(Sn、Sb)層に固溶して、自己組織化超格子構造を破壊することなく、(Sn、Mo、Sb)層や(Sn、Nb、Sb)層や(Sn、V、Sb)層や(Sn、Si、Sb)層を形成すると考えられる。したがって、元素Xが、Mo原子、Nb原子、V原子あるいはSi原子の場合も、実施例1で説明したGe原子や、実施例2で説明したAl原子や、実施例3で説明したMn原子およびCr原子と同様の結晶構造になる可能性が高いと考えられ、上述した第1条件を満たしていると考えられる。
本実施の形態2では、前記実施の形態1における相変化メモリを使用した半導体記録再生装置について説明する。
図15は、本実施の形態2における半導体記録再生装置のメモリセルの構成を示す断面図である。図15において、本実施の形態2におけるメモリセルMC1は、例えば、単結晶シリコンからなる半導体基板1Sの主面に形成され、メモリセルMC1を選択する選択トランジスタSTである電界効果トランジスタと、選択トランジスタSTの上方に形成されたメモリ部MUとを備えている。メモリセルMC1では、メモリ部に含まれる記録再生膜MRFの原子配列または原子位置の変化により、記録再生膜MRFの電気抵抗を低抵抗状態と高抵抗状態との間で変化させて情報を記録する。
次に、本実施の形態2における半導体記録再生装置のメモリアレイの構成例について説明する。図16は、本実施の形態2における半導体記録再生装置のメモリセルアレイMA1の構成例を示す等価回路図である。
本実施の形態2におけるメモリセルアレイMA1は、上記のように構成されており、以下に、その動作について説明する。具体的に、メモリセルアレイMA1は以下に示すように動作する。
ALP (SnXSb)Te合金相
BE 下部電極
BL ビット線
BL1 ビット線
BL2 ビット線
BL3 ビット線
BL4 ビット線
CP1 コンタクトプラグ
CP2 コンタクトプラグ
DR ドレイン領域
FDF 下地膜
FRL 自由層
FXL 固定層
GE ゲート電極
GOX ゲート絶縁膜
IDL1 層間絶縁膜
IDL2 層間絶縁膜
IDL3 層間絶縁膜
MC1 メモリセル
MA1 メモリセルアレイ
MRF 記録再生膜
MU メモリ部
M1 配線
M1a 配線
SDL シード層
SMC 選択セル
SR ソース領域
ST 選択トランジスタ
STI 素子分離領域
SW サイドウォールスペーサ
UE 上部電極
WL ワード線
WL1 ワード線
WL2 ワード線
WL3 ワード線
WL4 ワード線
WL5 ワード線
Claims (10)
- Sn、Sb、Teを含有し、かつ、SnとTeとの結合力やSbとTeとの結合力よりもTeとの結合力が強い元素Xを含有する記録再生膜を備え、
前記記録再生膜は、(SnXSb)Te合金相を有し、
前記(SnXSb)Te合金相は、自己組織化超格子構造を含む、相変化メモリ。 - 請求項1に記載の相変化メモリにおいて、
前記元素Xは、Ge、Al、Mn、Cr、Mo、Nb、V、Siのいずれかの元素である、相変化メモリ。 - 請求項1に記載の相変化メモリにおいて、
Sn酸化物の標準生成自由エネルギーをΔG°(Sn)とし、
Sb酸化物の標準生成自由エネルギーをΔG°(Sb)とし、
元素Xの酸化物の標準生成自由エネルギーをΔG°(X)とする場合、
前記ΔG°(X)の絶対値は、前記ΔG°(Sn)の絶対値よりも大きく、かつ、前記ΔG°(Sb)の絶対値よりも大きい、相変化メモリ。 - 請求項1に記載の相変化メモリにおいて、
前記自己組織化超格子構造は、少なくとも、ファンデルワールスギャップ層を含む第1部分格子と、空孔層を含む第2部分格子が超格子成長方向に隣接する構造を含む、相変化メモリ。 - 請求項4に記載の相変化メモリにおいて、
前記空孔層は、Snの挿入と脱離が行なわれる層として機能し、
前記ファンデルワールスギャップ層は、前記空孔層でのSnの挿入と脱離に起因する体積変化を緩和する緩衝層として機能する、相変化メモリ。 - 請求項1に記載の相変化メモリにおいて、
前記記録再生膜の下層に、Sb2Te3を含む下地膜が形成されている、相変化メモリ。 - 請求項6に記載の相変化メモリにおいて、
前記下地膜の下層にシード層が形成されている、相変化メモリ。 - Sn、Sb、Teを含有し、かつ、元素Xを含有する記録再生膜を備え、
前記記録再生膜は、(SnXSb)Te合金相を有し、
前記(SnXSb)Te合金相は、自己組織化超格子構造を含み、
前記元素Xは、Ge、Al、Mn、Cr、Mo、Nb、V、Siのいずれかの元素である、相変化メモリ。 - 複数のメモリセルを備え、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、
(a)メモリセルを選択する選択トランジスタ、
(b)前記選択トランジスタと電気的に接続されるメモリ部であって、Sn、Sb、Teを含有し、かつ、SnとTeとの結合力やSbとTeとの結合力よりもTeとの結合力が強い元素Xを含有する記録再生膜を含む前記メモリ部、
を有し、
前記記録再生膜は、(SnXSb)Te合金相を有し、
前記(SnXSb)Te合金相は、自己組織化超格子構造を含む、半導体記録再生装置。 - 複数のメモリセルを備え、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、
(a)メモリセルを選択する選択トランジスタ、
(b)前記選択トランジスタと電気的に接続されるメモリ部であって、Sn、Sb、Teを含有し、かつ、元素Xを含有する記録再生膜を含む前記メモリ部、
を有し、
前記記録再生膜は、(SnXSb)Te合金相を有し、
前記(SnXSb)Te合金相は、自己組織化超格子構造を含み、
前記元素Xは、Ge、Al、Mn、Cr、Mo、Nb、V、Siのいずれかの元素である、半導体記録再生装置。
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