JP2016072534A - 記憶装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】金属イオン源層を備える、リーク電流を低減する記憶装置を提供する。【解決手段】記憶装置は、ワード線電極110と、ワード線電極の一部と対向したビット線電極160と、ワード線電極とビット線電極の間に配置された第一の抵抗変化層120と、ワード線電極と第一の抵抗変化層の間に配置され、第一の抵抗変化層に接したリーク電流低減層130と、ワード線電極とリーク電流低減層の間に配置された第二の抵抗変化層140と、ワード線電極と第二の抵抗変化層の間に配置された金属イオン源層150と、を備える。第一の抵抗変化層におけるリーク電流低減層との境界領域、又はリーク電流低減層における第一の抵抗変化層との境界領域の少なくとも何れか一方の領域に金属酸化物を含む。【選択図】図4

Description

本発明の実施形態は、記憶装置に関する。
近年、半導体記憶装置の集積化への要求が高まっている。この要求にこたえるため、半導体記憶装置の回路パターンやメモリセルの微細化が進展している。このような微細化の要請にこたえるには、パターン形成の精度向上に加え、微細な寸法のメモリセルが記憶素子として動作することが要求される。
金属イオン源層を用いた記憶装置が提案されている。この記憶装置は、薄膜中の小さな面積でもデータの保持が可能であり、微細化が可能であると期待されている。
特開2013−125903号公報 米国特許出願公開第2014/0035619号明細書 米国特許出願公開第2013/0222011号明細書 米国特許出願公開第2013/0043451号明細書
喜多浩之、鳥海明、「High-k/SiO2界面に形成されるダイポールの起源」、電子情報通信学会技術研究報告 SDM シリコン材料・デバイス、2009年1月19日、108(407)、 pp.5-8,
本実施形態の課題は、金属イオン源層を備える記憶装置のリーク電流を低減する記憶装置を提供することである。
本実施形態の記憶装置は、第一電極と、前記第一電極の一部と対向した第二電極と、前記第一電極と前記第二電極の間に配置された第一の抵抗変化層と、前記第一電極と前記第一の抵抗変化層の間に配置され、前記第一の抵抗変化層に接したリーク電流低減層と、前記第一電極と前記リーク電流低減層の間に配置された第二の抵抗変化層と、前記第一電極と前記第二の抵抗変化層の間に配置された金属イオン源層と、を備え、前記第一の抵抗変化層における前記リーク電流低減層との境界領域、又は前記リーク電流低減層における前記第一の抵抗変化層との境界領域の少なくとも何れか一方の領域に金属酸化物を含む。
第1の実施形態に従った記憶装置の構成を示すブロック図。 第1の実施形態に従った記憶装置を例示する斜視図。 第1の実施形態に従った記憶装置に係るメモリセルアレイレイヤーの模式的な電気的構成図。 第1の実施形態に従った記憶装置に係るメモリセルの模式的な断面図。 第1の実施形態に従った記憶装置に係るメモリセルのセット動作及びリセット動作を説明する模式的な断面図。 第1の実施形態に従った記憶装置に係るメモリセルアレイレイヤーのセット時の模式的な電気的構成図。 第1の実施形態に従った記憶装置に係るメモリセルの模式的なバンド図。 金属酸化物中の金属イオンのイオン半径と、金属酸化物中の酸素原子の面密度との関係を示した図。 第1の実施形態に従った記憶装置の製造工程を示すフローチャート。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
なお、以下の説明中、便宜的に基板側に近い方を下側と表現して記載する。
(第1の実施形態)
図1は、第一の実施形態に係る記憶装置5の構成を示すブロック図である。
図1に示すように記憶装置5はメモリセルアレイ10、ロウデコーダ15、カラムデコーダ20、コマンド・インターフェース回路25、データ入出力バッファ30、ステートマシン35、アドレスバッファ40、及びパルスジェネレータ45を含む。
メモリセルアレイ10は、複数の配線と、該配線と立体交差する複数の他の配線とを有する。この立体交差部分の配線と他の配線との間に、メモリセルが形成される。
メモリセルアレイ10の一端には、ロウデコーダ15が配置され、別の一端には、カラムデコーダ20が配置される。
ロウデコーダ15は、例えば、ロウアドレス信号に基づいてメモリセルアレイ10のロウを選択する。また、カラムデコーダ20は、カラムアドレス信号に基づいてメモリセルアレイ10のカラムを選択する。
コマンド・インターフェース回路25は、コントローラ50(例えば、メモリコントローラ、または、ホスト)から制御信号を受信する。また、データ入出力バッファ30は、ステートマシン35からデータを受信する。
コマンド・インターフェース回路25は、制御信号に基づいて、コントローラ50からのデータがコマンドデータであるか否かを判断し、コマンドデータであれば、それをデータ入出力バッファ30からステートマシン35に転送する。
ステートマシン35は、コマンドデータに基づいて、抵抗変化メモリの動作を管理する。例えば、ステートマシン35は、コントローラ50からのコマンドデータに基づいて、セット/リセット動作及び読出し動作を管理する。また、ステートマシン35は、ロウデコーダ15、カラムデコーダ20等の制御も行う。
アドレスバッファ40は、セット/リセット動作及び読出し動作において、コントローラ50からアドレス信号を受信する。アドレス信号は、例えば、メモリセルアレイ選択信号、ロウアドレス信号及びカラムアドレス信号を含んでいる。そして、アドレス信号は、アドレスバッファ40を経由して、ロウデコーダ15及びカラムデコーダ20に入力される。
パルスジェネレータ45は、ステートマシン35からの命令に基づき、例えば、セット/リセット動作及び読出し動作に必要な電圧パルス又は電流パルスを所定のタイミングで出力する。
コントローラ50は、ステートマシン35が管理するステータス情報を受け取り、抵抗変化メモリでの動作結果を判断することも可能である。
なお、コントローラ50は記憶装置5の中に配置されていても良いし、記憶装置5の外部に設けられていても構わない。
図2を用いて、本実施形態に係るメモリセルアレイ10の基本的な構成について説明する。なお、本明細書においては、説明の便宜上、XYZ直行座標系を採用する。基板(例えばシリコン基板)55の上面55aに対して平行で相互に直行する2方向を「X方向」及び「Y方向」とし、上面55aに対して垂直な方向を「Z方向」とする。
図2に示すように、メモリセルアレイ10は、基板55上に配置される。なお、メモリセルアレイ10と基板55の間には、MOSトランジスタ等の回路素子や絶縁膜が形成されていても良い。
図2は、メモリセルアレイ10が、Z方向にスタックされた4つのメモリセルアレイレイヤーM1,M2,M3,M4が形成される場合の例を示している。
メモリセルアレイレイヤーM1は、X方向及びY方向にアレイ上に配置されたメモリセルMC1を含む。、
同様に、メモリセルアレイレイヤーM2は、アレイ上に配置されたメモリセルMC2を含み、メモリセルアレイレイヤーM3は、アレイ上に配置されたメモリセルMC3を含み、メモリセルアレイレイヤーM4は、アレイ上に配置されたメモリセルMC4を含む。
以下では、メモリセルMC1,MC2,MC3,MC4を区別しない場合には、単にメモリセルMCと呼ぶ。なお、メモリセルMC1〜4は、複数設けられている。
また、基板55上には、基板55側から順に導電線L1(j−1)、L1(j)、L1(j+1)、導電線L2(j−1)、L2(j)、L2(j+1)、導電線L3(j−1)、L3(j)、L3(j+1)、導電線L4(j−1)、L4(j)、L4(j+1)、導電線L5(j−1)、L5(j)、L5(j+1)が配置される。以下では、特に区別を要さない場合は、単に導電線L1,L2,L3,L4、L5と呼ぶ。
基板55側から奇数番目の導電線、すなわち導電線L1、L3、L5は、Y方向に延びる。基板55側から偶数番目の導電線、すなわち導電線L2、L4は、X方向に延びる。
これら導電線はワード線又はビット線として機能する。
最も下の第一番目のメモリセルアレイレイヤーM1は、基板55から1番目の導電線L1と二番目の導電線L2との間に配置される。メモリセルアレイレイヤーM1に対するセット/リセット動作及び読出し動作では、導電線L1及び導電線L2の一方をワード線とし、他方をビット線として用いる。
メモリセルアレイレイヤーM2〜M4も同様である。
すなわち、メモリセルアレイレイヤーM2は、二番目の導電線L2と三番目の導電線L3との間に配置される。導電線L2及び導電線L3の一方をワード線とし、他方をビット線として用いる。
メモリセルアレイレイヤーM3は、三番目の導電線L3と四番目の導電線L4との間に配置される。導電線L3及び導電線L4の一方をワード線とし、他方をビット線として用いる。
メモリセルアレイレイヤーM4は、四番目の導電線L4と五番目の導電線L5との間に配置される。導電線L4及び導電線L5の一方をワード線とし、他方をビット線として用いる。
なお、本実施形態において、導電線L1,L3,L5をワード線WLとし、導電線L2,L4をビット線BLとする。
以下では、メモリセルアレイレイヤーM1,M2,M3,M4を区別しない場合には、単にメモリセルアレイレイヤーMと呼ぶ。
図3を用いて、本実施形態に係るメモリセルアレイレイヤーMの基本的な構成について説明する。図3は、メモリセルアレイレイヤーMの一部の模式的な電気的構成図を示している。
図2で示した、メモリセルアレイレイヤーMは、それぞれがマトリクス状に配置された(m+1)×(n+1)個のマット(図示せず)を備える。m、nはそれぞれ1以上の自然数である。マットの各々には複数のメモリセルMCが含まれ、これらはマトリクス状に配置されている。
1つのマットには、例えば16本のワード線WLと16本のビット線BLが含まれる。すなわち、1つのマット内には、(16×16)個のメモリセルMCが含まれる。したがって、メモリセルアレイレイヤーMは、マトリクス状に配置された16×(m+1)本のビット線BLと、16×(n+1)個のワード線WLを備える。そして、ワード線WLを共通にするマットが、ブロックBLK0〜BLKnなる単位を構成する。以下では、ブロックBLK0〜BLKnを区別しない場合には、単にブロックBLKと呼ぶ。
メモリセルMCのそれぞれは、可変抵抗素子(抵抗変化素子)70を含む。それぞれの可変抵抗素子70の電流経路の一端はビット線BL0、BL1、BL2、〜BL(16m+15)のいずれか1つに接続され、電流経路の他端はワード線WL0、WL1、WL2、〜WL(16n+15)のいずれか1つに接続される。
ワード線WL0、WL1、WL2、〜WL(16n+15)の一端には、スイッチ素子RSWを介してロウデコーダ15が電気的に接続される。スイッチ素子RSWは、制御信号R1により制御されるN型FETを含む。
ビット線BL0、BL1、BL2、〜BL(16m+15)の一端には、スイッチ素子CSWを介してカラムデコーダ20が電気的に接続される。スイッチ素子CSWは、例えば制御信号R2により制御されるN型FETを含む。
ロウデコーダ15、及びカラムデコーダ20は、スタックされた複数のメモリセルのうちの一つに対してデータの書込み/消去/読出しを行うこともできるし、スタックされた複数のメモリセルのうちの二つ以上又はすべてに対して同時にデータの書込み/消去/読出しを行うこともできる。
以下では、ワード線WL0、WL1、WL2、〜WL(16n+15)を区別しない場合には、単にワード線WLと呼ぶ。また、以下ではビット線BL0、BL1、BL2、〜BL(16m+15)を区別しない場合には、単にビット線BLと呼ぶ。
以下、図4を参照して、メモリセルMCの構成を説明する。図4は、図2において、L1(j−1)、L1(j)、L1(j+1)とL2(j−1)の間に形成されたメモリセルアレイレイヤーM1及びメモリセルMC1のY方向から見た断面図である。なお、第一層間絶縁膜100より基板側と、第二導電線L2(j−1)側より上方は記載を省略する。
基板55上に、第一層間絶縁膜100が形成されている。第一層間絶縁膜100は、例えばSiOを用いる。
第一層間絶縁膜100の上方に、導電線L1(j−1)、L1(j)、L1(j+1)に係るワード線電極(第二電極)110が形成されている。ワード線電極110の上方には、メモリセルMCが形成されている。メモリセルMC上には導電線L2(j−1)に係るビット線電極(第一電極)160が形成されている。
また、メモリセルMCは、ワード線電極110より、第一の抵抗変化層120、リーク電流低減層130、第二の抵抗変化層140、金属イオン源層150を備えている。
第一の抵抗変化層120とリーク電流低減層130の境界領域は、金属酸化物MOxを含む。すなわち、少なくとも第一の抵抗変化層120におけるリーク電流低減層130との境界領域、又はリーク電流低減層130における第一の抵抗変化層120との境界領域170の何れか一方は金属酸化物MOxを含む。また、第一の抵抗変化層120とリーク電流低減層130の界面領域に金属酸化物MOxが存在してもよい。
ワード線電極110及びビット線電極160は金属層とバリアメタル層を含む。金属層は、例えばタングステンを用いる。バリアメタル層は、チタン、タンタル、窒化チタン、窒化タンタル又はこれらの積層を用いる。
第一の抵抗変化層120及び第二の抵抗変化層140においては、金属イオン源層150から放出される金属イオン150aをその内部に拡散することにより、その抵抗値を変化させることが可能になっている(後述)。
第一の抵抗変化層120及び第二の抵抗変化層140の一例としては、シリコンを含む層である。例えば、第一の抵抗変化層120は、酸化シリコンを用いる。また、第二の抵抗変化層140は、酸化シリコン、多結晶シリコン等を用いる。第一の抵抗変化層120及び第二の抵抗変化層140は、酸化シリコン、多結晶シリコンの積層体であっても構わない。
また、第一の抵抗変化層120及び第二の抵抗変化層140は、このようなシリコンを含む層に限られるものではない。ゲルマニウムとアンチモンとテルルの合金,酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム等も使用可能であるし、遷移金属の酸化物を用いても構わない。
リーク電流低減層130は、金属酸化物MOxよりも酸素原子の密度が小さい膜を用いる。例えば、窒化ハフニウムアルミニウム、酸窒化ハフニウム、窒化ハフニウム、ハフニウムシリケート(ハフニウムとシリコンを含んだ酸化物)、酸窒化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン等の金属酸窒化物、金属窒化物、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物等が使用可能である。
金属酸化物MOxは、酸素原子の密度が多い材料、例えば、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化スカンジウム等を用いる。
以上に述べた第一の抵抗変化層120、リーク電流低減層130及び金属酸化物MOxのより詳細な組合せについては後述する。
金属イオン源層150は、例えば金、銀、パラジウム、イリジウム、白金、タングステン、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、ニッケル、コバルト、アルミニウム、クロム、銅等を用いることが可能であるが、以下の説明では一例として銀を含んでいる。
次に、メモリセルMCの動作について説明をする。
図5(a)〜(c)は、第一の実施形態に係るメモリセルMCの動作を説明する模式図である。図5(a)〜(c)は、簡単のため、メモリセルMC部分と、メモリセルMCの直上及び直下部分のワード線電極110及びビット線電極160のみを記載している。
図5(a)は、リセット状態「0」のメモリセルMCの模式図である。このリセット状態では、銀イオン150aを用いて形成されたフィラメント(金属フィラメント)150fは存在しないか、存在したとしても金属イオン源層150のごく近傍に留まる。
まず、セット動作を説明する。リセット状態のメモリセルMCに対して、ビット線電極160とワード線電極110との間に所定の電圧を印加する。ここでは、ビット線電極160に対して、ワード線電極110に高い電位が印加される。電圧の印加により、金属イオン源層150から銀イオン150aが第二の抵抗変化層140、リーク電流低減層130及び第一の抵抗変化層120に放出される。銀イオン150aの放出によって、銀イオン150aの銀が析出し、その結果フィラメント150fが伸長する。
電圧を印加し続けることにより、フィラメント150fの下端がワード線電極110に近接又は接触する。この状態を図5(b)に示す。
この後、電圧印加を止めると、フィラメント150fは金属イオン源層150側に自然に収縮をする。この収縮によっても、フィラメント150fはリセット状態まで戻ることはない。しかし、フィラメント150fのワード線側の先端部が、リーク電流低減層130より上方まで収縮することが望ましい。この状態をセット状態「1」と呼ぶ。セット状態のメモリセルMCの状態を図15(c)に示す。
以上の通り、メモリセルMCがリセット状態「0」からセット状態「1」に移行し、メモリセルMCにデータの書込みが行われたことになる。この動作をセット動作と呼ぶ。また、セット動作を行う時の電圧をセット電圧Vset、セット電圧印加時のメモリセルMC内に流れる電流をセット電流と呼ぶ。
次に、図5(c)のメモリセル状態に対し、ワード線電極110に対してビット線電極160に低い電圧が印加される。この電圧の印加により、銀イオン150aが金属イオン源層150に戻ることで、フィラメント150fは存在しないか、存在したとしても金属イオン源層150のごく近傍に留まる。この状態のメモリセルMCをリセット状態「0」と呼ぶ。リセット状態のメモリセルMCは図5(a)に示す通りである。
これにより、メモリセルMCの抵抗がセット状態「1」からリセット状態「0」に移行し、メモリセルMCに書き込まれたデータが消去されたことになる。このデータの消去動作をリセット動作と呼ぶ。
次に、上記のセット状態「1」及びリセット状態「0」の読出し動作について説明する。
まず、リセット状態「0」のメモリセルMCの場合の読出し動作を説明する。
ビット線電極160とワード線電極110との間に、セット電圧Vsetよりも低い所定の電圧を印加する。印加電圧がセット電圧よりも低いため、フィラメント150fの先端部とワード線電極110との間に十分な電界が印加されず、フィラメント150fは十分に伸長せず、メモリセルMCは高抵抗状態を示し、電流は流れない。
これに対し、セット状態「1」のメモリセルMCの場合は、電圧印加前の時点で、フィラメント150fが既に、第二の抵抗変化層140下方まで来ている。
そこで、上記の所定電圧を印加すると、フィラメント150fの先端部とワード線電極110との間に十分な電界が印加され、フィラメント150fが伸長し、フィラメント150fはワード線電極に近接又は接触する。つまり、メモリセルMCは低抵抗状態を示し、リセット状態のメモリセルMCに比べて電流が流れる。
このように、メモリセルMCに流れる電流を検出することで、メモリセルの状態を読み出すことができる。この動作をリード動作と呼ぶ。また、リード動作時を行う時の電圧をリード電圧と呼ぶ。
なお、何れの場合もリード電圧の印加を止めると、フィラメント150fは金属イオン源層150側に自然に収縮をし、電圧印加前の状態に近づく。
次に、図6を参照して、書込み時の電圧関係について説明する。そして、書込み時の非選択セルにおけるリーク電流について説明する。ここで印加する電位はあくまで一例であり、異なる電位印加方式も可能である。
図6は、ワード線WL0とビット線BL0に接続したメモリセルMCへのセット動作時の電圧を示している。
以下では、セット動作の対象となっているメモリセルMCを選択メモリセルMC、それ以外のメモリセルMCを非選択メモリセルMCと呼ぶ。選択メモリセルMCと電気的に接続したワード線・ビット線をそれぞれ選択ワード線WL・選択ビット線BL、それ以外のワード線・ビット線を非選択ワード線WL・非選択ビット線BLと呼ぶ。さらに、電位差は、ビット線電位がワード線電位より大きい場合を正、ビット線電位がワード線電位より小さい場合を負とする。
具体的には、図6では、ワード線WL0が選択ワード線WL、ワード線WL1〜WL(16n+15)が非選択ワード線であり、ビット線BL0が選択ビット線BL、ビット線BL1〜BL(16m+15)が非選択ビット線BLとなる。
図6に示すように、選択ワード線WL0は0V、非選択ワード線WL1〜WL(16n+15)はVset/2が印加されている。また、選択ビット線BL0はVset、非選択ビット線BL1〜BL(16m+15)はVset/2を印加がされている。ここで、Vsetは、後述するセット動作時のセット電圧である。
選択ワード線WL0と選択ビット線BL0に接続した選択メモリセルMC,すなわち図6において領域MCA中のメモリセルMCは、Vsetが印加される。電圧の印加により、選択メモリセルMCは,セット状態となる。
非選択ワード線WL1〜WL(16n+15)と選択ビット線BL0間には複数の非選択メモリセルMCが接続されている。この非選択メモリセルMCは、図6において領域MCB中のメモリセルMCに対応する。そして、この非選択メモリセルMCには、非選択ワード線WLと選択ビット線BLとの電位差として、+Vset/2が印加される。これにより、リーク電流が流れる。
同様に、選択ワード線WL0と非選択ビット線BL1〜BL(16m+15)間にも、複数の非選択メモリセルMCが接続されている。この非選択メモリセルMCは、図6において領域MCC中のメモリセルMCに対応する。そして、この非選択メモリセルMCも、選択ワード線WLと選択ビット線BLとの電位差として、+ Vset/2が印加される。これにより、リーク電流が流れる。
印加される電圧Vset/2は、セット電圧Vsetより低いため、図5で前述したフィラメント150fがワード線電極110と接触するには至らない。しかし、セット状態ではフィラメント150fの先端部がリーク電流低減層130付近まで到達しているため、リーク電流は大きくなりやすい。
非選択ワード線WL1〜WL(16n+15)と非選択ビット線BL1〜BL(16m+15)間に接続された複数の非選択メモリセルMC、すなわち図6において領域MCD中のメモリセルMCは、0Vが印加される。すなわち、リーク電流は生じない。
以上のように、セット動作時には、非選択メモリセルMCにも正方向の電圧が印加され、リーク電流が流れることを説明した。
このようなリーク電流は誤読み出しや消費電流の増加の原因となるため、大規模なメモリセルアレイであればあるほど、リーク電流を抑制することが望ましい。
本実施形態によれば、第一の抵抗変化層120とリーク電流低減層130の境界領域に金属酸化物MOxを備えることで、正方向の電圧印加時のリーク電流を低減することが可能である。以下に図7を参照して、詳細を説明する。図7は、メモリセルMCのエネルギーバンドの模式図である。なお、フィラメント150fの先端部が第二の抵抗変化層140とリーク電流低減層130との間の界面まで到達している場合を想定し、電子がフィラメント150fの先端部から注入されるものとして、第二の抵抗変化層140は記載を省略する。
先述のように、この場合のリーク電流は、フィラメント150fとワード線電極110の間に流れる電流である。フィラメント150fとワード線電極110の間には、第二の抵抗変化層140、リーク電流低減層130及び第一の抵抗変化層120が存在する。ビット線電極及びワード線電極間に電圧が印加されると、上記の各層に電位が印加される。電位の印加により、上記の各層にトンネル電流が流れる。
ここで、本実施形態において、リーク電流低減層130及び第一の抵抗変化層120の境界領域には金属酸化物MOxを備えている。金属酸化物MOxと、それに接している材料の酸素原子の密度が異なると、酸素原子の密度を一致させる方向へと酸素が移動し、電気双極子(ダイポール)が生じる。ダイポールが生じると、電位差が生じる。
より具体的には、第一の抵抗変化層120が酸素を含む場合、第一の抵抗変化層120と金属酸化物MOxの酸素原子の密度の差により、ダイポール電位差が生じる。一方で、リーク電流低減層130が酸素を含まない場合は、リーク電流低減層130と金属酸化物MOxの酸素原子との間にはダイポール電位差が生じない。
このダイポール電位差により、金属フィラメント150fの先端部から注入される電子に対する、第一の抵抗変化層120のエネルギー障壁が高くなり、電子のトンネリングを抑制でき、リーク電流を低減することが出来る。
上述のように、リーク電流を低減させるダイポールを生じさせるためには、リーク電流低減層130、第一の抵抗変化層120及び境界領域170に備える金属酸化物MOxを適切に組合せる必要がある。
具体的には、金属酸化物MOxの酸素原子の密度が第一の抵抗変化層120の酸素原子の密度よりも高いことが好ましい。さらに、リーク電流低減層130は酸素を含まないか、またはリーク電流低減層130の酸素密度は第一の抵抗変化層120の酸素密度よりも低いことが望ましい。
なお、密度は、例えば膜における面密度を意味する。また、面密度が認識できない場合は、単位体積当たりの原子数の密度を意味する。
具体的な酸素原子の密度のデータは、図8に示した通りである。図8の横軸は、各金属酸化物中の金属イオンのイオン半径を表す。また、図8の縦軸は、各金属酸化物中の酸素原子の面密度(SiOの値で規格化したもの)を表す。
すなわち、酸素原子の密度は高い方から順に、Al>TiO>Ta>HfO>ZrO>MgO>ScO3>SiOとなる。また、各金属酸化物に対して、酸窒化物及び窒化物の酸素原子の密度は小さくなる。
以下に、具体的な組合せの例を説明する。
一つの具体例として、第一の抵抗変化層120に酸化シリコン、金属酸化物MOxに酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化スカンジウムを用いる場合、リーク電流低減層は酸窒化シリコン、シリコン窒化物、窒化ハフニウムアルミニウム、窒化ハフニウム、窒化ジルコニウム等を用いるのが好ましい。
別の具体例としては、第一の抵抗変化層120に酸化ハフニウム、金属酸化物MOxに酸化アルミニウム、酸化チタンを用いる場合、リーク電流低減層は窒化ハフニウムアルミニウム、酸窒化ハフニウム、窒化ハフニウム、ハフニウムシリケート、酸窒化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン等を用いるのが好ましい。
さらに、別の具体例としては、第一の抵抗変化層120に酸化ジルコニウム、金属酸化物MOxに酸化アルミニウム、酸化チタン等を用いる場合、リーク電流低減層は窒化ハフニウムアルミニウム、酸窒化ハフニウム、窒化ハフニウム、ハフニウムシリケート、酸窒化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン等を用いるのが好ましい。
なお、上述のようなダイポールによるリーク電流低減のためには、+Vset/2電圧印加時に、フィラメント150fはリーク電流低減層130に入り込まないほうが望ましい。
フィラメント150fは導体であるため、フィラメント150fとワード線電極110の最短領域でリーク電流が流れる。よって、リーク電流低減層130を貫通すると、ダイポール電位の影響をほぼ受けずにリーク電流が流れてしまうためである。
次に、本実施形態に係る記憶装置の製造方法について説明する。例としてメモリセルアレイレイヤーM1の製造方法のフローチャートを図9に示す。
まず、第一層間絶縁膜100を形成し、その上方にワード線電極110を形成する(S1)。例えば、第一層間絶縁膜100にリソグラフィー法により、所定のマスクパターンを形成し、RIE(Reactive Ion Etching)法によりエッチング加工する。そして、ワード線電極110材料を成膜したのち、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により平坦化することにより行う。
次に、第一の抵抗変化層120を成膜する(S2)。成膜方法は例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法やALD(Atomic Layer Deposition)法等による。
第一の抵抗変化層120上に、金属酸化物MOxを成膜する(S3)。成膜方法は、例えば、低圧CVD法やALD法等を用いて成膜する。典型的には1nm以下成膜をする。特に、金属酸化物MOxの膜厚が1ML(Molecular Layer)以下、の場合は、金属酸化物MOxは膜として存在せずに第一の抵抗変化層120とリーク電流低減層130との界面にダイポールが形成されると考えられる。
また、仮に金属酸化物MOxの膜厚が数MLあったとしても、その後の製造工程において、金属酸化物MOxが拡散し、金属酸化物MOxは膜として存在しなくなる場合がある。この場合も、金属酸化物MOxは膜として存在せずにダイポールが形成されると考えられる。
さらに、1ML以下の場合も数ML以上何れの場合も後の工程の拡散により、上記の金属酸化物MOxは、第一の抵抗変化層120におけるリーク電流低減層130との境界領域、及びリーク電流低減層130における第一の抵抗変化層120との境界領域170に存在することになる
次に、リーク電流低減層130、第二の抵抗変化層140、金属イオン源層150を成膜する(S4)。成膜方法は例えば、PVD(Physical Vapor Deposition)、CVD法やALD法等による。
金属イオン源層150上に所定のマスク材を積層する。該マスク材上にリソグラフィー法により所定のマスクパターンを形成し、RIE(Reactive Ion Etching)法等により、金属イオン源層150、第二の抵抗変化層140、リーク電流低減層130、第一の抵抗変化層120をエッチング加工する(S5)。
その後、第二の層間絶縁膜115を形成する(S6)。その後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により、平坦化を行う。
以降は、一般的なクロスポイント型メモリの製造方法を用いて、各種配線層や回路素子を形成する。このようにして、本実施形態の記憶装置5が製造される。
記憶装置5においては、第一の抵抗変化層120におけるリーク電流低減層130との境界領域、及びリーク電流低減層130における第一の抵抗変化層120との境界領域170に、金属酸化物MOxを備える。これにより、ダイポールが生じ、ビット線とワード線間に電圧が印加された時のリーク電流を低減することが可能となる。
このように、第1実施形態では、リーク電流ひいては消費電流が少ない記憶装置5が提供される。
以下、変形例等について説明する。
上記の説明は、メモリセルアレイレイヤーM1を例に説明を行ったが、他のメモリセルアレイレイヤーMにおいても、同様に成り立つ。
奇数番目のメモリセルアレイレイヤー、即ちメモリセルアレイレイヤーM1,M3,M5・・・は図4で説明した構造を用いれば良い。偶数番目のメモリセルアレイレイヤー、即ちメモリセルアレイレイヤーM2,M4,M6・・・は図4で説明した構造を逆さにした構造を用いる。即ち、基板側から、ビット線電極160、金属イオン源層150、第二の抵抗変化層140、リーク電流低減層130、第一の抵抗変化層120、ワード線電極110の順に形成すれば良い。
上記の説明において、非選択ワード線WL及び非選択ビット線BLにVset/2を印加した場合を説明したが、Vset電圧を超えない範囲で、Vset/2より小さくても大きくても構わない。また、非選択ワード線WL及び非選択ビット線BLの電位が異なっていても構わない。
上記の説明はクロスポイント型メモリを例に説明をしたが、ワード線電極と絶縁膜を積層し、その積層体にメモリホールを形成し、メモリホール内部にメモリセルを形成する記憶装置にも適用可能である。すなわち、ビット線BLが基板55に平行なクロスポイント型メモリに限られず、ビット線BLが基板55に垂直な記憶装置にも適用可能である。
本発明のいくつかの実施形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、そのほかの様で、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のその均等の範囲に含まれる。
5…記憶装置
10…メモリセルアレイ
15…ロウデコーダ
20…カラムデコーダ
25…コマンド・インターフェース回路
30…データ入出力バッファ
35…ステートマシン
40…アドレスバッファ
45…パルスジェネレータ
50…コントローラ
70…可変抵抗素子
100…第一層間絶縁膜
110…ワード線電極
115…第二層間絶縁膜
120…第一の抵抗変化層
130…リーク電流低減層
140…第二の抵抗変化層
150…金属イオン源層
160…ビット線電極
170…境界領域

Claims (8)

  1. 第一電極と、
    前記第一電極の一部と対向した第二電極と、
    前記第一電極と前記第二電極の間に配置された第一の抵抗変化層と、
    前記第一電極と前記第一の抵抗変化層の間に配置され、前記第一の抵抗変化層に接したリーク電流低減層と、
    前記第一電極と前記リーク電流低減層の間に配置された第二の抵抗変化層と、
    前記第一電極と前記第二の抵抗変化層の間に配置された金属イオン源層と、
    を備え、
    前記第一の抵抗変化層における前記リーク電流低減層との境界領域、又は前記リーク電流低減層における前記第一の抵抗変化層との境界領域の少なくとも何れか一方の領域に金属酸化物を含む、
    記憶装置。
  2. 前記金属酸化物の酸素原子の密度は、前記第一の抵抗変化層と前記リーク電流低減層の酸素原子の密度より高く、
    前記第一の抵抗変化層の酸素原子の密度は、前記リーク電流低減層の酸素原子の密度より高い、
    請求項1記載の記憶装置。
  3. 前記第一の抵抗変化層及び前記第二の抵抗変化層は、前記金属イオン源層から拡散した金属による金属フィラメントを備え、
    前記金属フィラメントは、前記第一電極及び前記第二電極の間に印加される電圧に応じて伸長又は収縮する、
    請求項1又は2記載の記憶装置。
  4. 前記金属フィラメントは、メモリ素子を低抵抗化させるセット動作に必要なセット電圧の半分の電圧が印加時においても、前記リーク電流低減層より前記第一電極の側でのみ形成されている、
    請求項3の記憶装置。
  5. 前記第一の抵抗変化層は、酸化シリコンを用いており、
    前記リーク電流低減層は、シリコン、ハフニウム、ジルコニウムの少なくとも何れか1つと窒素を含んでおり、
    前記金属酸化物は、アルミニウム、チタン、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、マグネシウム、スカンジウムの少なくとも何れか1つの金属元素の酸化物を用いている、
    請求項1〜4何れか一項記載の記憶装置。
  6. 前記第一の抵抗変化層は、ハフニウムと酸素を含んでおり、
    前記リーク電流低減層は、窒化ハフニウムアルミニウム、酸窒化ハフニウム、窒化ハフニウム、ハフニウムシリケート、酸窒化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンの少なくとも何れか1つを用いており、
    前記金属酸化物は、アルミニウム、チタンの少なくとも何れか1つの金属元素の酸化物を用いている
    請求項1〜4何れか一項記載の記憶装置。
  7. 前記第一の抵抗変化層は、ジルコニウムと酸素を含んでおり、
    前記リーク電流低減層は、窒化ハフニウムアルミニウム、酸窒化ハフニウム、窒化ハフニウム、ハフニウムシリケート、酸窒化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンの少なくとも何れか1つを用いており、
    前記金属酸化物は、アルミニウム、チタンの少なくとも何れか1つの金属元素の酸化物を用いている
    請求項1〜4何れか一項記載の記憶装置。
  8. 前記金属イオン源層は銅、銀またはそれらを含む化合物を含んでいる
    請求項1〜7何れか一項記載の記憶装置。
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