JP2019057556A - 記憶装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】信頼性の向上した記憶装置を提供する。【解決手段】実施の形態の記憶装置は、第1の方向に伸長する第1の導電層と、第1の方向に伸長する第2の導電層と、第1の方向に交差する第2の方向に伸長する第3の導電層と、第1の導電層と第3の導電層の間及び第2の導電層と第3の導電層の間に設けられた第1の酸化物領域と、第1の導電層と第1の酸化物領域の間及び第1の導電層と第2の導電層の間に設けられた半導体領域と、を備え、第1の導電層と第1の酸化物領域の間に設けられた半導体領域と第3の導電層の間の第1の距離より、第1の導電層と第2の導電層の間に設けられた半導体領域と第3の導電層の間の第2の距離の方が長い。【選択図】図1

Description

実施形態は、記憶装置に関する。
大容量の不揮発性メモリとして、従来のフローティングゲート型NANDフラッシュメモリに代わる、2端子の抵抗変化型メモリの開発が盛んに行われている。このタイプのメモリは、低電圧・低電流動作、高速スイッチング、メモリセルの微細化・高集積化が可能である。
抵抗変化型メモリの抵抗変化層としては種々の材料が提案されている。例えば、VMCO(Vacancy−modulated conductive oxide)デバイスでは、バイアス印加による空孔濃度の変調を利用して、酸化チタン及びバリア膜となるアモルファスシリコンのバンド構造を変えることで電気抵抗の変化が生じる。
大容量メモリアレイでは、ビット線及びワード線と呼ばれる金属配線が多数交差配列されており、ビット線とワード線の交点にメモリセルが形成される。1つのメモリセルの書き込みは、そのセルに接続されたビット線BLとワード線WLに電圧を印加することで行う。
特許第5919010号公報
実施形態の目的は、信頼性の向上した記憶装置を提供することにある。
実施の形態の記憶装置は、第1の方向に伸長する第1の導電層と、第1の方向に伸長する第2の導電層と、第1の方向に交差する第2の方向に伸長する第3の導電層と、第1の導電層と第3の導電層の間及び第2の導電層と第3の導電層の間に設けられた第1の酸化物領域と、第1の導電層と第1の酸化物領域の間及び第1の導電層と第2の導電層の間に設けられた半導体領域と、を備え、第1の導電層と第1の酸化物領域の間に設けられた半導体領域と第3の導電層の間の第1の距離より、第1の導電層と第2の導電層の間に設けられた半導体領域と第3の導電層の間の第2の距離の方が長い。
第1の実施形態の記憶装置のブロック図である。 第1の実施形態のメモリセルアレイの等価回路図である。 第1の実施形態の記憶装置の模式断面図である。 第1の実施形態の記憶装置の製造方法において、製造途中の記憶装置を示す模式断面図である。 第1の実施形態の記憶装置の製造方法において、製造途中の記憶装置を示す模式断面図である。 第1の実施形態の記憶装置の製造方法において、製造途中の記憶装置を示す模式断面図である。 第1の実施形態の記憶装置の製造方法において、製造途中の記憶装置を示す模式断面図である。 第1の実施形態の記憶装置の製造方法において、製造途中の記憶装置を示す模式断面図である。 第1の実施形態の記憶装置の製造方法において、製造途中の記憶装置を示す模式断面図である。 第1の実施形態の比較形態となる記憶装置の説明図である。 第2の実施形態の記憶装置の模式断面図である。 第3の実施形態の記憶装置の模式断面図である。 第4の実施形態の記憶装置の模式断面図である。 第5の実施形態の記憶装置の模式断面図である。
以下、図面を用いて実施の形態を説明する。なお、図面中、同一又は類似の箇所には、同一又は類似の符号を付している。
(第1の実施の形態)
本実施の形態の記憶装置は、第1の方向に伸長する第1の導電層と、第1の方向に伸長する第2の導電層と、第1の方向に交差する第2の方向に伸長する第3の導電層と、第1の導電層と第3の導電層の間及び第2の導電層と第3の導電層の間に設けられた第1の酸化物領域と、第1の導電層と第1の酸化物領域の間及び第1の導電層と第2の導電層の間に設けられた半導体領域と、を備え、第1の導電層と第1の酸化物領域の間に設けられた半導体領域と第3の導電層の間の第1の距離より、第1の導電層と第2の導電層の間に設けられた半導体領域と第3の導電層の間の第2の距離の方が長い。
図1は、本実施形態の記憶装置のブロック図である。図2は、メモリセルアレイ101の等価回路図である。図2は、メモリセルアレイ内の配線構造を模式的に示す。
本実施形態の記憶装置100は、相変化メモリ(Phase Change Memory)である。相変化メモリは、抵抗変化層の結晶構造の変化に伴う抵抗変化を利用してデータを記憶する。
また、本実施形態のメモリセルアレイ101は、メモリセルが立体的に配置された三次元構造を備える。三次元構造を備えることにより、記憶装置100の集積度が向上する。
図1に示すように、記憶装置100は、メモリセルアレイ101、ワード線ドライバ回路102、ローデコーダ回路103、センスアンプ回路104、カラムデコーダ回路105、及び、制御回路106を備える。
また、図2に示すように、メモリセルアレイ101内には、複数のメモリセルMCが立体的に配置される。図2中、破線で囲まれた領域が1個のメモリセルMCに対応する。
メモリセルアレイ101は、例えば、複数のワード線WL(WL11、WL12、WL13、WL21、WL22、WL23)と複数のビット線BL(BL11、BL12、BL21、BL22)を備える。ワード線WLはx方向に伸長する。ビット線BLはz方向に伸長する。ワード線WLとビット線BLは垂直に交差する。ワード線WLとビット線BLとの交差部に、メモリセルMCが配置される。
x方向は第1の方向、y方向は第3の方向、z方向は第2の方向の具体例である。
複数のワード線WLは、ローデコーダ回路103に電気的に接続される。複数のビット線BLは、センスアンプ回路104に接続される。複数のビット線BLとセンスアンプ回路104との間には選択トランジスタST(ST11、ST21、ST12、ST22)とグローバルビット線GBL(GBL1、GBL2)が設けられる。
ローデコーダ回路103は、入力されたローアドレス信号に従ってワード線WLを選択する機能を備える。ワード線ドライバ回路102は、ローデコーダ回路103によって選択されたワード線WLに所定の電圧を印加する機能を備える。
カラムデコーダ回路105は、入力されたカラムアドレス信号に従ってビット線BLを選択する機能を備える。センスアンプ回路104は、カラムデコーダ回路105によって選択されたビット線BLに所定の電圧を印加する機能を備える。また、センスアンプ回路104は、選択されたワード線WLと選択されたビット線BLとの間に流れる電流を検知して増幅する機能を備える。
制御回路106は、ワード線ドライバ回路102、ローデコーダ回路103、センスアンプ回路104、カラムデコーダ回路105、及び、図示しないその他の回路を制御する機能を備える。
ワード線ドライバ回路102、ローデコーダ回路103、センスアンプ回路104、カラムデコーダ回路105、制御回路106などの回路は、電子回路である。例えば、図示しない半導体層を用いたトランジスタや配線層によって構成される。
図3は、本実施形態の記憶装置100のメモリセルアレイ101の模式断面図である。図3は、メモリセルアレイ101のxz断面図である。図3中、破線で囲まれた領域が、1個のメモリセルMCである。
メモリセルアレイ101は、ワード線WL11、ワード線WL21(第1の導電層)、ワード線WL31(第2の導電層)、ビット線BL11(第3の導電層)、第1の酸化物領域2、半導体領域4、第1の絶縁体10及び第3の絶縁体14を備える。
以下、ワード線WL11、ワード線WL21、ワード線WL31、等の総称として、単にワード線WLと記述する場合がある。また、ビット線BL11、ビット線BL21、ビット線BL12などの総称として、単にビット線BLと記述する場合がある。
ワード線WLは、導電層である。ワード線WLは、例えば、金属層である。ワード線WLは、例えば、タングステン、窒化チタン、又は、銅を含む。ワード線WLは、その他の金属、金属半導体化合物、又は、半導体などの導電性材料で形成されても構わない。
ビット線BLは、導電層である。ビット線BLは、例えば、金属層である。ビット線BLは、例えば、タングステン、窒化チタン、又は、銅を含む。ビット線BLは、その他の金属、金属半導体化合物、又は、半導体などの導電性材料で形成されても構わない。
ワード線WLのy方向のピッチは、例えば、50nm以上200nm以下である。ワード線WLのz方向の厚さは、例えば、30nm以下である。ビット線BLのx方向のピッチは、例えば、50nm以上200nm以下である。
ワード線WLのy方向のピッチ、ワード線WLのz方向の厚さ、ビット線BLのx方向のピッチは、例えば、透過型電子顕微鏡での観察により測定することができる。
ワード線WL21とワード線WL31は、x方向に伸長する。ビット線BL11は、x方向に交差するz方向に伸長する。
第1の酸化物領域2は、ワード線WL21とビット線BL11の間及びワード線WL31とビット線BL11の間に設けられている。第1の酸化物領域2は、酸化チタン、酸化タングステン又は酸化ニオブを含む。第1の酸化物領域2は、後述する半導体領域4よりもバンドギャップの小さい遷移金属酸化物である。第1の酸化物領域2の膜厚は、良好な結晶性を得るため例えば6nm以上であることが好ましい。
第3の絶縁体14は、各ワード線の間、例えばワード線WL21とワード線WL31の間に設けられている。第3の絶縁体14は、例えば酸化物、酸窒化物又は窒化物を含む。第3の絶縁体14は、例えば酸化シリコンである。
第1の絶縁体10は、第3の絶縁体14と第1の酸化物領域2の間に設けられている。第1の絶縁体10は、例えば酸化物、酸窒化物又は窒化物を含む。第1の絶縁体10は、例えば酸化シリコンである。第1の絶縁体の膜厚は、例えば2nm以上である。第1の絶縁体10の誘電率は、第1の酸化物領域2の誘電率より低いことが好ましい。
半導体領域4は、第3の絶縁体14と第1の絶縁体10の間、ワード線WL21と第1の絶縁体10の間、及びワード線WL21と第1の酸化物領域2の間に設けられている。第3の絶縁体14と第1の絶縁体10の間の半導体領域4及びワード線WL21と第1の絶縁体10の間の半導体領域4は、ワード線WL21とワード線WL31の間に設けられている。半導体領域4は、例えばシリコン又はゲルマニウムを含む。半導体領域4は、例えばシリコン、シリコンゲルマニウム又はゲルマニウムである。半導体領域4は、例えばアモルファスシリコンである。半導体領域4の膜厚は、良好な膜質を得るため3.5nm以上が好ましく、動作電圧の増加を抑制するため10nm以下であることが好ましい。
記憶装置の形成が容易になるため、ワード線WL21とビット線BL11の間の第1の酸化物領域2の第1の膜厚tよりも、第1の絶縁体10とビット線BL11の間の第1の酸化物領域2の第2の膜厚tの方が大きいことが好ましい。
データの書き込みを説明する。まず、ワード線WL又はビット線BLに電圧を印加する。次に、ワード線WLとビット線BLの間に設けられた第1の酸化物領域2とバリア膜となる半導体領域4の間の界面の空孔濃度を変調する。そして、第1の酸化物領域2と、半導体領域4の界面のバンド構造を変化させる。これにより、メモリセルMCの抵抗を変化させ、データの書き込みを行う。
ワード線WL21と第1の酸化物領域2の間に設けられた半導体領域4とビット線BL11の間の第1の距離より、ワード線WL21とワード線WL31の間(第3の絶縁体14と第1の絶縁体10の間)に設けられた半導体領域4とビット線BL11の間の第2の距離の方が長い。
次に、本実施形態の記憶装置の製造方法を述べる。
図4、図5、図6、図7、図8及び図9は、本実施形態の記憶装置の製造方法において、製造途中の記憶装置を示す模式断面図である。
まず、例えば、タングステン(W)、窒化チタン(TiN)、又は、銅(Cu)を含む導電材料20を形成し、導電材料20の上に例えば酸化物、酸窒化物又は窒化物を含む絶縁材料30を形成する。これを繰り返し、複数の導電材料20と複数の絶縁材料30の積層構造40を形成する(図4)。
次に、積層構造40に空孔42を形成する(図5)。導電材料20はそれぞれワード線WLとなり、絶縁材料30は第3の絶縁体14となる。
次に、例えばウェットエッチングにより、空孔42の周囲の第3の絶縁体14の一部を除去する(図6)。
次に、空孔42の周囲の、第3の絶縁体14の表面及びワード線WLの表面に、例えばシリコン又はゲルマニウムを含む半導体領域4を形成する(図7)。
次に、空孔42の周囲の、半導体領域4の表面に絶縁体を形成して、その後余分に形成された絶縁体をエッチング等により除去する。これにより、半導体領域4の、第3の絶縁体14と反対側に、第1の絶縁体10を形成する(図8)。
次に、空孔42の周囲の、第1の絶縁体10及び半導体領域4の表面に、例えば酸化チタンを含む第1の酸化物領域2を形成する。
次に、例えば400℃以上1000℃以下で熱処理を行う。この熱処理により、例えば第1の酸化物領域2に含まれる酸化チタンはアナターゼ構造となり、空孔濃度を電界で変調できるようになる。
次に、第1の酸化物領域2の表面に、タングステン(W)、窒化チタン(TiN)、又は、銅(Cu)を含むビット線BLを形成し、本実施形態の記憶装置100を得る(図9)。
次に、本実施形態の作用効果を記載する。
図10は、第1の実施形態の比較形態となるメモリセルアレイ801の模式図である。メモリセルアレイ801においては、第1の絶縁体10が設けられていない。また、ワード線WL21と第1の酸化物領域2の間に設けられた半導体領域4とビット線BL11の間の第1の距離と、ワード線WL21とワード線WL31の間に設けられた半導体領域4とビット線BL11の間の第2の距離は、等しい。
メモリセルに電圧を印加することで、メモリセルの抵抗が高抵抗状態から低抵抗状態へ、または低抵抗状態から高抵抗状態へと変化する。高抵抗状態から低抵抗状態への変化は、例えば、セット動作と称される。また、低抵抗状態から高抵抗状態への変化は、例えば、リセット動作と称される。
メモリセルMCにリセット動作を行い、メモリセルMC及びメモリセルMCにリセット動作を行わない場合を例にとって説明する。ビット線BL11に印加する電圧はVである。また、ワード線WL21(選択WL)に印加する電圧は0V、ワード線WL11(非選択WL)及びワード線WL31(非選択WL)に印加する電圧は1/2Vである。
正常なリセット動作が行われる場合には、ビット線BL11からワード線WL21にI21が流れる。また、ビット線BL11からワード線WL11及びビット線BL11からワード線WL31には、I21より小さな電流I11及びI31が流れる。
電圧Vが高くなると、I1121のような、ワード線WL11を図10の右方向に流れ、第1の酸化物領域2と半導体領域4の間を図10の下方向に流れ、ワード線WL21を図10の左方向に流れる電流が生じる。すなわち、ワード線WL11からワード線WL21に回り込んで流れる電流が生じる。
また、I3121のような、ワード線WL31を図10の右方向に流れ、第1の酸化物領域2と半導体領域4の間を図10の上方向に流れ、ワード線WL21を図10の左方向に流れる電流が生じる。すなわち、ワード線WL31からワード線WL21に回り込んで流れる電流が生じる。
この回り込んで流れる電流I1121及びI3121は、I11及びI31より大きい。そのために、電流起因の欠陥が導入され、半導体領域4に用いられている材料が劣化してしまうという問題点がある。また、ワード線WL21(選択WL)近傍の電界を弱くし、ワード線WL11(非選択WL)及びワード線WL31(非選択WL)近傍の電界を強くするため、リセット動作不良が発生してしまうという問題がある。
さらに、読み出し動作の場合にも、読み出し電圧が高い場合には上述の回り込み電流が生じるという問題がある。
このような問題が生じる理由は、各メモリセル間に設けられている、ビット線BL11をゲート、ワード線WL11とワード線WL21又はワード線WL21とワード線WL31をソースとドレイン、第1の酸化物領域2をゲート絶縁膜とした仮想的なTFT(Thin Film Transistor:薄膜トランジスタ)がオンするためである。
本実施形態の記憶装置は、ワード線WL21と第1の酸化物領域2の間に設けられた半導体領域4とビット線BL11の間の第1の距離より、ワード線WL21とワード線WL31の間に設けられた半導体領域4とビット線BL11の間の第2の距離の方が長い。これにより、ビット線BL11から半導体領域4へ加わる電界が弱くなる。よって、上述の仮想的なTFTがオンしにくくなり、回り込み電流を抑制できる。
第1の酸化物領域2と、ワード線WL21とワード線WL31の間に設けられた半導体領域4と、の間に第1の絶縁体10を設けることにより、ワード線WL21と第1の酸化物領域2の間に設けられた半導体領域4とビット線BL11の間の第1の距離より、ワード線WL21とワード線WL31の間に設けられた半導体領域4とビット線BL11の間の第2の距離の方を長くすることができる。いわば、第1の絶縁体10により、仮想的なTFTのゲート絶縁膜の膜厚が増加し、仮想的なTFTはオンしづらくなる。
第1の絶縁体10の誘電率は、回り込み電流を抑制するため、第1の酸化物領域2の誘電率より低いことが好ましい。
本実施形態の記憶装置によれば、信頼性の向上した記憶装置の提供が可能になる。
(第2の実施形態)
本実施形態の記憶装置は、半導体領域と第1の酸化物領域の間に設けられた第2の酸化物領域をさらに備える点で、第1の実施形態と異なっている。ここで、第1の実施形態と重複する内容については、記載を省略する。
図11は、本実施形態の記憶装置200のメモリセルアレイ201の模式断面図である。本実施形態のメモリセルアレイ201では、第2の酸化物領域6が、第1の酸化物領域2と半導体領域4の間、及び第1の絶縁体10と第1の酸化物領域2の間に設けられている。
第2の酸化物領域6は、第1の酸化物領域2と半導体領域4の反応抑制層として機能する。これにより、第1の酸化物領域2と半導体領域4の間における元素の行き来が抑制されるため、信頼性がより向上する。
第2の酸化物領域6の膜厚は、メモリセル小型化のため2nm以下が好ましく、0.8nm以下がさらに好ましい。また、第2の酸化物領域6は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム又は酸化ジルコニウムを含むことが好ましい。
本実施形態の記憶装置によれば、さらに信頼性の向上した記憶装置の提供が可能になる。
(第3の実施形態)
本実施形態の記憶装置は、第1の導電層と半導体領域の間に設けられた第2の絶縁体をさらに備える点で、第1の実施形態及び第2の実施形態と異なっている。ここで、第1及び第2の実施形態と重複する内容については、記載を省略する。
図12は、本実施形態の記憶装置300のメモリセルアレイ301の模式断面図である。本実施形態のメモリセルアレイ301では、ワード線WL21と第3の絶縁体14の間及びワード線WL21と第1の絶縁体10の間の半導体領域4とワード線WL21の間に、第2の絶縁体12が設けられている。第2の絶縁体12は、電界が集中するエッジAとエッジBの距離を長くして、電界集中によるメモリセルの破壊を抑制するために用いられる。
本実施形態の記憶装置によれば、さらに信頼性の向上した記憶装置の提供が可能になる。
(第4の実施形態)
本実施形態の記憶装置は、第2の実施形態の第2の酸化物領域と、第3の実施形態の第2の絶縁体と、の両方を備える点で、第1ないし第3の実施形態と異なっている。ここで、第1ないし第3の実施形態と重複する点については、記載を省略する。
図13は、本実施形態の記憶装置400のメモリセルアレイ401の模式断面図である。
本実施形態の記憶装置によれば、さらに信頼性の向上した記憶装置の提供が可能になる。
(第5の実施形態)
本実施形態の記憶装置は、第1の導電層と第2の導電層の間の半導体領域が、p型不純物を含む点で、第1ないし第4の実施形態と異なっている。ここで、第1ないし第4の実施形態と重複する内容については、記載を省略する。
図14は、本実施形態の記憶装置500のメモリセルアレイ501の模式断面図である。
メモリセルアレイ50においては、ワード線WL21とワード線WL31の間の、第1の絶縁体10と第3の絶縁体14の間の半導体領域4が、第1の絶縁体10と接する部分にp型領域4aを有している。p型不純物としては、例えばホウ素(B)が用いられる。これにより、仮想的なTFTの閾値電圧が高電圧側にシフトするため、回り込み電流が抑制される。
本実施形態の記憶装置によれば、さらに信頼性の向上した記憶装置の提供が可能になる。
本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態及び実施例は、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。
2 第1の酸化物領域
4 半導体領域
6 第2の酸化物領域
10 第1の絶縁体
12 第2の絶縁体
14 第3の絶縁体
20 導電材料
30 絶縁材料
40 積層構造
42 空孔
100 記憶装置
101 メモリセルアレイ
102 ワード線ドライバ回路
103 ローデコーダ回路
104 センスアンプ回路
105 カラムデコーダ回路
106 制御回路
200 記憶装置
201 メモリセルアレイ
WL21 ワード線(第1の導電層)
WL31 ワード線(第2の導電層)
BL11 ビット線(第3の導電層)

Claims (9)

  1. 第1の方向に伸長する第1の導電層と、
    前記第1の方向に伸長する第2の導電層と、
    前記第1の方向に交差する第2の方向に伸長する第3の導電層と、
    前記第1の導電層と前記第3の導電層の間及び前記第2の導電層と前記第3の導電層の間に設けられた第1の酸化物領域と、
    前記第1の導電層と前記第1の酸化物領域の間及び前記第1の導電層と前記第2の導電層の間に設けられた半導体領域と、
    を備え、
    前記第1の導電層と前記第1の酸化物領域の間に設けられた前記半導体領域と前記第3の導電層の間の第1の距離より、前記第1の導電層と前記第2の導電層の間に設けられた前記半導体領域と前記第3の導電層の間の第2の距離の方が長い記憶装置。
  2. 前記第1の酸化物領域と、前記第1の導電層と前記第2の導電層の間に設けられた前記半導体領域と、の間に設けられた第1の絶縁体をさらに備える請求項1記載の記憶装置。
  3. 前記半導体領域と前記第1の酸化物領域の間に設けられた第2の酸化物領域をさらに備える請求項1または請求項2記載の記憶装置。
  4. 前記第1の導電層と前記半導体領域の間に設けられた第2の絶縁体をさらに備える請求項1ないし請求項3いずれか一項記載の記憶装置。
  5. 前記第1の導電層と前記第2の導電層の間の前記半導体領域が、p型不純物を含む請求項1ないし請求項4いずれか一項記載の記憶装置。
  6. 前記第1の導電層と前記第3の導電層の間の前記第1の酸化物領域の第1の膜厚よりも前記第1の絶縁体と前記第3の導電層の間の前記第1の酸化物領域の第2の膜厚の方が大きい請求項2記載の記憶装置。
  7. 前記第1の酸化物領域は酸化チタンを含む請求項1ないし請求項6いずれか一項記載の記憶装置。
  8. 前記半導体領域はアモルファスシリコンを含む請求項1ないし請求項7いずれか一項記載の記憶装置。
  9. 前記第2の酸化物領域は酸化アルミニウム、酸化ハフニウム又は酸化ジルコニウムを含む請求項4記載の記憶装置。
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