JP2022146047A - セレクタ装置及び半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】セレクタ層の熱閉じ込め効果を高めて特性を改善することを可能にしたセレクタ装置を提供する。【解決手段】実施形態のセレクタ装置１は、第１電極２と、第２電極３と、第１電極２と第２電極２との間に配置されたセレクタ層４とを具備する。第１電極２及び第２電極３の少なくとも一方は、第１のデバイ温度（Ｔ１）を有する第１材料を含む第１層９と、第１層９と接するように配置され、第１のデバイ温度（Ｔ１）より低い第２のデバイ温度（Ｔ２）を有する第２材料を含む第２層１０とを有する積層膜１１を備える。第２のデバイ温度（Ｔ２）に対する第１のデバイ温度（Ｔ１）の比（Ｔ１／Ｔ２）は５以上である。【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、セレクタ装置及び半導体記憶装置に関する。
抵抗変化メモリ（ＲｅＲＡＭ：Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、相変化メモリ（ＰＣＭ：Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｏｒｙ）、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の抵抗変化型記憶装置への電流のオン／オフの切り替えに、印加する電圧により絶縁体と導電体との間で相変化するセレクタ層を有するセレクタ装置が用いられている。このようなセレクタ装置においては、セレクタ層の熱閉じ込め効果を高めて特性を改善することが求められている。
本発明が解決しようとする課題は、セレクタ層の熱閉じ込め効果を高めて特性を改善することを可能にしたセレクタ装置及び半導体記憶装置を提供することにある。
実施形態のセレクタ装置は、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置されたセレクタ層とを具備し、前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方は、第１のデバイ温度（Ｔ１）を有する第１材料を含む第１層と、前記第１層と接するように配置され、前記第１のデバイ温度より低い第２のデバイ温度（Ｔ２）を有する第２材料を含む第２層とを有する積層膜を備える。実施形態のセレクタ装置の第１の態様において、前記第２のデバイ温度（Ｔ２）に対する前記第１のデバイ温度（Ｔ１）の比（Ｔ１／Ｔ２）が５以上である。実施形態のセレクタ装置の第２の態様において、前記積層膜における前記第１層及び前記第２層の繰り返し積層回数が４以上である。
以下、実施形態のセレクタ装置及び半導体記憶装置について、図面を参照して説明する。各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。
図１は実施形態のセレクタ装置１の構成を示す断面図である。図１に示すセレクタ装置１は、第１電極２と、第２電極３と、第１電極２と第２電極３との間に配置されたセレクタ層４とを備えている。セレクタ層４は、第１電極２と第２電極３との間に流れる電流のオン／オフを切り替える機能を有する。セレクタ層４は、閾値（Ｖｔｈ）未満の電圧が印加されている場合には抵抗値が高いオフ状態になっており、この状態から閾値（Ｖｔｈ）以上の電圧が印加されることで、抵抗値が高いオフ状態から抵抗値が低いオン状態に急激に遷移する電気特性を有する。
セレクタ層４に印加される電圧が閾値（Ｖｔｈ）より小さい場合、セレクタ層４は絶縁体として機能し、セレクタ層４に付加される抵抗変化層のような機能層に流れる電流を遮断して、機能層をオフ状態とする。セレクタ層４に印加される電圧が閾値（Ｖｔｈ）以上になると、セレクタ層４の抵抗値が急激に低下して導電体として機能し、セレクタ層４を介して機能層に電流が流れるようになる。セレクタ層４を有するセレクタ装置１は、例えば各種の電子デバイスにおいて機能層への電流のオン／オフの制御に適用される。
図１に示すセレクタ装置１は、例えば図２に示すように、第１電極２と、第２電極３と、セレクタ層４と、第３電極５と、不揮発性メモリ層として機能する抵抗変化層６と、第４電極７とを具備する抵抗変化型半導体記憶装置８に適用される。第３電極５及び第４電極７は、省略してもよい。その場合、セレクタ層４と抵抗変化層６との積層膜が用いられ、第１電極２及び第２電極３がセレクタ層４と抵抗変化層６との積層膜に対する一対の電極として機能する。上記積層膜において、セレクタ層４と抵抗変化層６とは直接積層された構造であってもよいし、それらの間に中間層や付加層等の他の層を介在させた構造であってもよい。抵抗変化層６はセレクタ層４と直接又は他の層を介して積層されていると共に、セレクタ層４と電気的に接続されていればよい。
図２に示すように、抵抗変化型半導体記憶装置８の第１電極２はワード線ＷＬと電気的に接続され、第４電極７はビット線ＢＬと電気的に接続されている。抵抗変化型半導体記憶装置８は、交差するように配置されたワード線ＷＬとビット線ＢＬとの交点に配置されており、半導体記憶装置のメモリセルとして機能する。図３では１つの抵抗変化型記憶装置８しか図示していないが、実際には多数のビット線ＢＬ及びワード線Ｗの各交点にメモリセルとしての抵抗変化型半導体記憶装置８が配置され、クロスポイント型の半導体記憶装置が構成される。
セレクタ装置１のセレクタ層４としては、上述したような印加される電圧の閾値（Ｖｔｈ）未満で抵抗値が高いオフ状態となり、電圧が閾値（Ｖｔｈ）以上になったときに抵抗値が高いオフ状態から抵抗値が低いオン状態に急激に遷移する電気特性を有する材料（セレクタ材料）が用いられる。具体的なセレクタ材料は、特に限定されるものではない。セレクタ材料としては、例えばテルル（Ｔｅ）、セレン（Ｓｅ）、及び硫黄（Ｓ）からなる群より選ばれる少なくとも１つのカルコゲン元素を含む材料が挙げられる。そのようなセレクタ材料は、カルコゲン元素を含む化合物であるカルコゲナイドを含んでいてもよい。
上記したカルコゲン元素を含む材料は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）、及びビスマス（Ｂｉ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含んでいてもよい。さらに、カルコゲン元素を含む材料は、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）、及びボロン（Ｂ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含んでいてもよい。このようなセレクタ材料の例としては、ＧｅＳｂＴｅ、ＧｅＴｅ、ＳｂＴｅ、ＳｉＴｅ、ＡｌＴｅＮ、ＧｅＡｓＳｅ等が挙げられる。ただし、セレクタ材料はカルコゲン元素を含む材料に限られるものではなく、カルコゲン元素を含まない材料であってもよい。セレクタ層４は、アモルファス構造を有していてもよい。
抵抗変化層６には、抵抗変化型メモリにおけるメモリ層が用いられる。抵抗変化型メモリとしては、抵抗変化メモリ（ＲｅＲＡＭ：Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、相変化メモリ（ＰＣＭ：Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｏｒｙ）、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等が知られている。これら各種の抵抗変化型メモリのメモリ層が抵抗変化層６として用いられる。抵抗変化層６は単層構造に限らず、各メモリの機能を発揮させるために必要な多層膜であってもよい。セレクタ装置１は抵抗変化型半導体記憶装置８に限らず、各種の電子デバイスのセレクタに用いられる。
図２に示す抵抗変化型記憶装置８において、セレクタ層（スイッチング層）４は抵抗変化層６と電気的に接続されており、抵抗変化層６への電流のオン／オフを切り替える機能を有する。セレクタ層４に印加される電圧が閾値（Ｖｔｈ）より低いときは、セレクタ層４は絶縁体として機能し、抵抗変化層６に流れる電流を遮断して、抵抗変化層６をオフ状態とする。セレクタ層４に印加される電圧が閾値（Ｖｔｈ）を超えると、セレクタ層４の抵抗値が急激に低下して導電体として機能し、セレクタ層４を介して抵抗変化層６に電流が流れるようになり、抵抗変化層６の書き込み又は読み出し動作が可能となる。セレクタ装置１は、抵抗変化型記憶装置（抵抗変化型メモリ）８において、メモリ層としての抵抗変化層６のオン／オフを切り替える機能を有する。
上述したセレクタ装置１において、第１電極２及び第２電極３は、図３に示すように、第１材料を含む第１層９と、第２材料を含む第２層１０とが接するように積層された積層膜１１を有する。第１層９に含まれる第１材料は、第１のデバイ温度（Ｔ１）を有する。第２層１０に含まれる第２材料は、第１のデバイ温度（Ｔ１）より低い第２のデバイ温度（Ｔ２）を有する。積層膜１１は、図３に示すように第１層９と第２層１０とが１層ずつ積層されたものに限らず、例えば図４に示すように、第１層９と第２層１０とを有する積層膜１１が繰り返し積層された構造を有していてもよい。図４は第１層９と第２層１０を有する第１の積層膜１１－１上に、第１層９と第２層１０を有する第２の積層膜１１－２が積層され、このような積層膜１１の積層がｎ回繰り返し実施された状態（第１の積層膜１１－１から第ｎの積層膜１１－ｎまで積層された状態）を示している。図４に示す積層膜１１における積層回数は、第１層９及び第２層１０の繰り返し積層回数ｎを意味する。
積層膜１１は、図３に示すように第１層９上に第２層１０を配置した積層構造に限られるものではない。図１は、第１層９と第２層１０と第１層９と第２層１０とセレクタ層４と第１層９と第２層１０と第１層９と第２層１０とを順に積層した構造を示している。これに限らず、第１層９と第２層１０と第１層９と第２層１０とセレクタ層４と第２層１０と第１層９と第２層１０と第１層９とを順に積層した構造、第２層１０と第１層９と第２層１０と第１層９とセレクタ層４と第１層９と第２層１０と第１層９と第２層１０とを順に積層した構造、又は第２層１０と第１層９と第２層１０と第１層９とセレクタ層４と第２層１０と第１層９と第２層１０と第１層９とを順に積層した構造であってもよい。セレクタ層４と接する層は、第１層９及び第２層１０のいずれであってもよい。図４に示す積層膜１１の積層回数をｎとする場合も同様である。
第１層９と第２層１０とを有する積層膜１１は、第１電極２及び第２電極３の少なくとも一方に適用される。例えば、第１電極２に積層膜１１を有する電極層を適用し、第２電極３に単層構造の電極層を適用してもよい。また、その反対の構造を適用してもよい。単層構造の電極層としては、ダイヤモンドライクカーボン層、グラフェン層、カーボンナノチューブ層、フラーレン層のような炭素層、タングステン（Ｗ）層、銅（Ｃｕ）層、アルミニウム層（Ａｌ）、あるいはこれらの少なくとも１つの元素を含む合金層のような金属層、窒化チタン（ＴｉＮ）層やホウ化チタン（ＴｉＢ）層のような化合物層等が適用される。ただし、積層膜１１を有する電極層は、後述するように熱の閉じ込め効果に優れるため、第１電極２及び第２電極３の双方に適用することが好ましい。
第１電極２及び第２電極３において、第１のデバイ温度（Ｔ１）を有する第１材料を含む第１層９と、第１のデバイ温度（Ｔ１）より低い第２のデバイ温度（Ｔ２：Ｔ２＜Ｔ１）を有する第２材料を含む第２層１０とを備える積層膜１１を適用した場合、デバイ温度が異なる第１層９及び第２層１０の境界面（接触面）に界面熱抵抗Ｒinterfaceが生成されるため、より大きな熱抵抗が期待される。
第１層９の熱抵抗をＲ１、第２層１０の熱抵抗をＲ２、第１層９と第２層１０の積層界面における熱抵抗をＲinterfaceとした場合、第１層９と第２層１０を１層ずつ積層した積層膜１１の総熱抵抗（Ｒtotal）は、下記の式（１）で表される。
Ｒtotal＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒinterface …（１）
また、第１層９及び第２層１０をｎ回繰り返し積層した積層膜１１の総熱抵抗Ｒtotalは、下記の式（２）で表される。
Ｒtotal＝Ｒ１×ｎ＋Ｒ２×ｎ＋Ｒinterface×（２ｎ－１） …（２）
Ｒtotal＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒinterface …（１）
また、第１層９及び第２層１０をｎ回繰り返し積層した積層膜１１の総熱抵抗Ｒtotalは、下記の式（２）で表される。
Ｒtotal＝Ｒ１×ｎ＋Ｒ２×ｎ＋Ｒinterface×（２ｎ－１） …（２）
積層膜１１の総熱抵抗（Ｒtotal）は、上記した式（１）や式（２）に示すように、界面熱抵抗（Ｒinterface）の大きさや、界面熱抵抗（Ｒinterface）の数等が大きく寄与する。界面熱抵抗（Ｒinterface）の大きさは、第２のデバイ温度（Ｔ２）に対する第１のデバイ温度（Ｔ１）の比（Ｔ１／Ｔ２）等に由来するものと考えられる。デバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２）が大きいほど、界面熱抵抗（Ｒinterface）が大きくなる。ここで、積層膜１１の総熱抵抗（Ｒtotal）が大きくなるほど、セレクタ層４の熱閉じ込め効果を強くすることができる。そして、セレクタ層４の熱閉じ込め効果を強くすることによって、セレクタ装置１の閾値電圧（Ｖｔｈ）、閾値電流（Ｉｔｈ）、ＯＮ状態となった際の電圧（Ｖｈｏｌｄ）等を低くすることができ、それにより電流比を多くすることができる。セレクタ層４の熱閉じ込め効果を得る上で、セレクタ層４の周囲に存在する第１電極２及び第２電極３の総熱抵抗（Ｒtotal）を高めることが重要である。
積層膜１１の第１層９及び第２層１０のデバイ温度比に関しては、第２層１０の第２のデバイ温度（Ｔ２）に対する第１層９の第１のデバイ温度（Ｔ１）の比（Ｔ１／Ｔ２比）を５以上とすることが有効である。デバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）を５以上とすることで、積層膜１１の総熱抵抗（Ｒtotal）を十分に高めることができる。積層膜１１における第１層９及び第２層１０の繰り返し積層回数ｎに関しては、繰り返し積層回数ｎを４以上とすることが有効である。第１層９及び第２層１０の繰り返し積層回数ｎを４以上とすることで、積層膜１１の総熱抵抗（Ｒtotal）を十分に高めることができる。
上記したデバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）及び繰り返し積層回数ｎは、それぞれ独立に満足させてもよいし、双方を満足させるようにしてもよい。すなわち、第１層９及び第２層１０の繰り返し積層回数ｎが４未満（例えばｎ＝１）であっても、デバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）が５以上であれば、積層膜１１の総熱抵抗（Ｒtotal）を十分に高めることができる。また逆に、デバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）が５未満であっても、第１層９及び第２層１０の繰り返し積層回数ｎを４以上とすることによって、積層膜１１の総熱抵抗（Ｒtotal）を十分に高めることができる。デバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）及び繰り返し積層回数ｎは共に満足させることがより好ましい。
次に、積層膜１１の第１層９及び第２層１０のデバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）について、図５ないし図９を参照して述べる。図５に代表的な材料のデバイ温度を示す。図５に示すように、デバイ温度は材料により決まる値である。図６に、第１のデバイ温度（Ｔ１）を有する第１材料（材料１）と第２のデバイ温度（Ｔ２）を有する第２材料（材料２）との組合せと、各組合せにおけるデバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）を示す。図６には、参考材料として電極に用いられるバルク材料、すなわち炭素バルク、ＴｉＮバルク、Ｗバルク、及びダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）バルクも示す。これらバルク材料は単体材料であるため、デバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）は１である。
図７、図８、及び図９に、図６に示す第１材料（材料１）層と第２材料（材料２）層とを積層した積層膜のデバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）と総熱抵抗（Ｒtotal）の値との関係を示す。図７は積層膜の総膜厚を１０ｎｍとした場合の総熱抵抗（Ｒtotal）の値を示している。図８は積層膜の総膜厚を２０ｎｍとした場合の総熱抵抗（Ｒtotal）の値を示している。図９は積層膜の総膜厚を３０ｎｍとした場合の総熱抵抗（Ｒtotal）の値を示している。図７、図８、及び図９に示すように、第１層９と第２層１０のデバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）が大きくなるほど、総熱抵抗（Ｒtotal）の値が増加することが分かる。図７、図８、及び図９には、総膜厚が３０ｎｍの炭素バルク層の総熱抵抗（Ｒtotal）を破線で示している。バルク材料のうち、膜厚が３０ｎｍ炭素バルク層の総熱抵抗（Ｒtotal）が最も大きく、２×１０－８ｋｍ２／Ｗである。
図７に示すように、デバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）が５以上の第１材料と第２材料との積層膜（総膜厚：１０ｎｍ）１１によれば、膜厚が３０ｎｍの炭素バルク層の総熱抵抗（Ｒtotal）である２×１０－８ｋｍ２／Ｗより高い総熱抵抗（Ｒtotal）を得ることができる。積層膜１１の総熱抵抗（Ｒtotal）は、第１材料と第２材料とのデバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）が大きくなるほど増加し、積層膜１１を用いた第１電極２及び第２電極３によるセレクタ層４の熱閉じ込め効果を強くすることができる。従って、そのような電極２、３を用いることによって、セレクタ装置１の特性を向上させることが可能となる。
このようなデバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）による第１材料と第２材料との積層膜１１の総熱抵抗（Ｒtotal）の向上効果は、図８及び図９に示すように、積層膜１１の総膜厚が２０ｎｍや積層膜１１の総膜厚が３０ｎｍの場合にも同様に得ることができる。このような総熱抵抗（Ｒtotal）の向上効果を得る上で、第１層９と第２層１０との積層膜１１の総膜厚は１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。積層膜１１の総膜厚が１０ｎｍ未満であると、十分な総熱抵抗（Ｒtotal）を得ることができない。積層膜１１の総膜厚が３０ｎｍを超えると、セレクタ装置１の電極２、３が厚くなりすぎて、セレクタ装置１の要求特性を満たさなくなる。また、積層膜１１を構成する第１層９及び第２層１０のそれぞれの膜厚は、０．５ｎｍ以上であることが好ましい。第１層９又は第２層１０の膜厚が０．５ｎｍ未満であると、各層９、１０の機能やそれらの界面での機能を十分に得られないおそれがある。
第１材料には、ホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びバナジウム（Ｖ）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む窒化物、ケイ素（Ｓｉ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、及びカルシウム（Ｃａ）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む炭化物、チタン（Ｔｉ）及びランタン（Ｌａ）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含むホウ化物、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、及びカルシウム（Ｃａ）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含むフッ化物、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、レニウム（Ｒｅ）、カルシウム（Ｃａ）、鉄（Ｆｅ）、ケイ素（Ｓｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びルテニウム（Ｒｕ）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む酸化物等を用いることができる。第１材料は、ベリリウム（Ｂｅ）、ケイ素（Ｓｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、スカンジウム（Ｓｃ）、クロム（Ｃｒ）、硫黄（Ｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、バナジウム（Ｖ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、錫（Ｓｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、白金（Ｐｔ）、カルシウム（Ｃａ）、カドミウム（Ｃｄ）、及び銀（Ａｇ）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含んでいてもよく、例えばそのような金属材料が用いられる。第２材料は、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、ニオブ（Ｎｂ）、錫（Ｓｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ガリウム（Ｇａ）、ヒ素（Ａｓ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、カルシウム（Ｃａ）、銀（Ａｇ）、イットリウム（Ｙ）、セリウム（Ｃｅ）、硫黄（Ｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、金（Ａｕ）、ツリウム（Ｔｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、テルビウム（Ｔｂ）、臭素（Ｂｒ）、セリウム（Ｃｅ）、インジウム（Ｉｎ）、マンガン（Ｍｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、ルテチウム（Ｌｕ）、水銀（Ｈｇ）、トリウム（Ｔｈ）、カリウム（Ｋ）、タリウム（Ｔｌ）、鉛（Ｐｂ）、ルビジウム（Ｒｂ）、及びセシウム（Ｃｓ）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含んでいてもよく、例えばそのような金属材料や化合物材料が用いられる。第１材料及び第２材料の組合せは、各材料のデバイ温度に基づいて、上記した条件を満足するように選択される。
次に、積層膜１１における第１層９及び第２層１０の繰り返し積層回数ｎについて、図１０ないし図１３を参照して述べる。図１０に、第１のデバイ温度（Ｔ１）を有する第１材料（材料１）と第２のデバイ温度（Ｔ２）を有する第２材料（材料２）との組合せと、各組合せにおけるデバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）を示す。図６には、参考材料としてデバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）が１である炭素バルクを示す。
図１１、図１２、及び図１３に、図１０に示す第１材料（材料１）層及び第２材料（材料２）層の繰り返し積層回数ｎと総熱抵抗（Ｒtotal）の値との関係を示す。図１１は積層膜の総膜厚を１０ｎｍとした場合の総熱抵抗（Ｒtotal）の値を示している。図１２は積層膜の総膜厚を２０ｎｍとした場合の総熱抵抗（Ｒtotal）の値を示している。図１３は積層膜の総膜厚を３０ｎｍとした場合の総熱抵抗（Ｒtotal）の値を示している。図１１、図１２、及び図１３に示すように、第１層９及び第２層１０の繰り返し積層回数ｎが大きくなるほど、総熱抵抗（Ｒtotal）の値が増加することが分かる。図１１、図１２、及び図１３には、膜厚が３０ｎｍ炭素バルク層の総熱抵抗（Ｒtotal）である２×１０－８ｋｍ２／Ｗを破線で示している。
図１１に示すように、第１層９及び第２層１０の繰り返し積層回数ｎが４以上の第１材料と第２材料との積層膜（総膜厚：１０ｎｍ）１１によれば、膜厚が３０ｎｍの炭素バルク層の総熱抵抗（Ｒtotal）である２×１０－８ｋｍ２／Ｗより高い総熱抵抗（Ｒtotal）を得ることができる。積層膜１１の総熱抵抗（Ｒtotal）は、第１層９及び第２層１０の繰り返し積層回数ｎが大きくなるほど増加する。繰り返し積層回数ｎに基づく総熱抵抗（Ｒtotal）の向上効果は、デバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）が５未満であっても、繰り返し積層回数ｎを４以上とすることより得ることができる。そして、繰り返し積層回数ｎに基づいて総熱抵抗（Ｒtotal）を増加させた積層膜１１を第１電極２及び第２電極３に用いることによって、セレクタ層４の熱閉じ込め効果を強めてセレクタ装置１の特性を向上させることが可能となる。
第１層９及び第２層１０の繰り返し積層回数ｎに基づく積層膜１１の総熱抵抗（Ｒtotal）の向上効果は、図１２及び図１３に示すように、積層膜１１の総膜厚が２０ｎｍや積層膜１１の総膜厚が３０ｎｍの場合にも同様に得ることができる。総膜厚が２０ｎｍや積層膜１１の総膜厚が３０ｎｍの場合にも、デバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）が５未満であっても、繰り返し積層回数ｎが４以上であれば積層膜１１の総熱抵抗（Ｒtotal）の向上効果を得ることができる。総熱抵抗（Ｒtotal）の向上効果を得る上で、第１層９と第２層１０との積層膜１１の総膜厚は１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。積層膜１１の総膜厚が１０ｎｍ未満であると、十分な総熱抵抗（Ｒtotal）を得ることができない。積層膜１１の総膜厚が３０ｎｍを超えると、セレクタ装置１の電極２、３が厚くなりすぎて、セレクタ装置１の要求特性を満たさなくなる。また、積層膜１１を構成する第１層９及び第２層１０のそれぞれの膜厚は、０．５ｎｍ以上であることが好ましい。第１層９又は第２層１０の膜厚が０．５ｎｍ未満であると、各層９、１０の機能やそれらの界面での機能を十分に得られないおそれがある。
上述したように、第１層９及び第２層１０のデバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）が５以上（第１条件）及び第１層９及び第２層１０の繰り返し積層回数ｎが４以上（第２条件）の少なくとも一方を満足する積層膜１１を、第１電極２及び第２電極３の少なくとも一方に適用することによって、第１電極２及び第２電極３の総熱抵抗（Ｒtotal）を高めることができる。そして、第１電極２及び第２電極３の総熱抵抗（Ｒtotal）に基づいてセレクタ層４の熱閉じ込め効果を強くすることによって、セレクタ装置１の閾値電圧（Ｖｔｈ）、閾値電流（Ｉｔｈ）、ＯＮ状態となった際の電圧（Ｖｈｏｌｄ）等に基づく特性を向上させることが可能になる。セレクタ層４の熱閉じ込め効果を高める上で、積層膜１１の第１条件及び第２条件を共に満足させることが好ましい。第１条件及び第２条件の少なくとも一方を満足する積層膜１１、さらに第１条件及び第２条件を共に満足する積層膜１１は、第１電極２及び第２電極３の双方に適用することが好ましい。
積層膜１１の第１層９に適用する第１材料及び第２層１０に適用する第２材料は、第１条件を満足させる場合には第１層９及び第２層１０のデバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）が５以上となればよく、第２条件を満足させる場合には特に限定されるものではない。第１材料及び第２材料には、図５の表、図６の表、図１０の表に示されるような材料及び材料の組合せを適用することができる。さらに、電極に求められる特性等を考慮して、第１材料は、炭素（Ｃ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、及びホウ化チタン（ＴｉＢ）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましい。第２材料は、テルル（Ｔｅ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、タングステン（Ｗ）、及びマンガン（Ｍｎ）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましい。第１材料に用いられる炭素としては、ダイヤモンドライクカーボン、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブ、フラーレン、無定形炭素等が挙げられ、特に限定されるものではない。第２材料は上記した元素を単体で含むものに限らず、ＭｎＴｅやＳｎＴｅ等のテルル化物、ＺｒＳｅ等のセレン化物のように、上記した元素を少なくとも１つ含む化合物や合金等を含んでいてもよい。
実施形態のセレクタ装置１は、第１層９及び第２層１０のデバイ温度比（Ｔ１／Ｔ２比）が５以上（第１条件）及び第１層９及び第２層１０の繰り返し積層回数ｎが４以上（第２条件）の少なくとも一方を満足する積層膜１１を適用した電極層を適用した第１電極２及び／又は第２電極３を備えている。第１電極２及び第２電極３の少なくとも一方に適用する積層膜１１の総熱抵抗（Ｒtotal）に基づいて、セレクタ層４の熱閉じ込め効果を強めたセレクタ装置１を提供することが可能になる。従って、セレクタ装置１の特性を向上させ、さらにはそのようなセレクタ装置１を用いた抵抗変化型半導体記憶装置８の特性や信頼性等を向上させることができる。
なお、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し得るものであり、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共に、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。
１…セレクタ装置、２…第１電極、３…第２電極、４…セレクタ層、５…第３電極、６…抵抗変化層、７…第４電極、８…抵抗変化型半導体記憶装置、９…第１層、１０…第２層、１１…積層膜。
Claims (19)
- 第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置されたセレクタ層とを具備するセレクタ装置において、
前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方は、第１のデバイ温度（Ｔ１）を有する第１材料を含む第１層と、前記第１層と接するように配置され、前記第１のデバイ温度より低い第２のデバイ温度（Ｔ２）を有する第２材料を含む第２層とを有する積層膜を備え、
前記第２のデバイ温度（Ｔ２）に対する前記第１のデバイ温度（Ｔ１）の比（Ｔ１／Ｔ２）が５以上である、セレクタ装置。 - 前記積層膜における前記第１層及び前記第２層の繰り返し積層回数が４以上である、請求項１に記載のセレクタ装置。
- 前記積層膜の総膜厚が１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載のセレクタ装置。
- 前記第１層及び前記第２層の膜厚がそれぞれ０．５ｎｍ以上である、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセレクタ装置。
- 前記第１材料は、炭素、窒化チタン、及びホウ化チタンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、前記第２材料は、テルル、金、銀、鉛、ビスマス、インジウム、タングステン、及びマンガンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセレクタ装置。
- 前記第１材料は、ホウ素、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、及びバナジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む窒化物である、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセレクタ装置。
- 前記第１材料は、ケイ素、タングステン、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、タンタル、タングステン、及びカルシウムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む炭化物である、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセレクタ装置。
- 前記第１材料は、チタン及びランタンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含むホウ化物である、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセレクタ装置。
- 前記第１材料は、マグネシウム、リチウム、及びカルシウムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含むフッ化物である、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセレクタ装置。
- 前記第１材料は、アルミニウム、ベリリウム、マグネシウム、チタン、レニウム、カルシウム、鉄、ケイ素、亜鉛、ニッケル、及びルテニウムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む酸化物である、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセレクタ装置。
- 前記第１材料は、ベリリウム、ケイ素、ロジウム、スカンジウム、クロム、硫黄、ゲルマニウム、アルミニウム、バナジウム、コバルト、チタン、ニッケル、マグネシウム、銅、タングステン、錫、ジルコニウム、ガリウム、亜鉛、白金、カルシウム、カドミウム、及び銀からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセレクタ装置。
- 前記第２材料は、コバルト、白金、マグネシウム、銅、タングステン、インジウム、アンチモン、ニオブ、錫、ストロンチウム、ガリウム、ヒ素、ジルコニウム、亜鉛、カルシウム、カドミウム、銀、イットリウム、セリウム、硫黄、アンチモン、テルル、金、ツリウム、サマリウム、テルビウム、臭素、セリウム、インジウム、マンガン、ビスマス、ルテチウム、水銀、トリウム、カリウム、タリウム、鉛、ルビジウム、及びセシウムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のセレクタ装置。
- 前記第１電極及び前記第２電極は、それぞれ前記積層膜を備える、請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のセレクタ装置。
- 第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置されたセレクタ層とを具備するセレクタ装置において、
前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方は、第１のデバイ温度（Ｔ１）を有する第１材料を含む第１層と、前記第１層と接するように配置され、前記第１のデバイ温度より低い第２のデバイ温度（Ｔ２）を有する第２材料を含む第２層とを有する積層膜を備え、
前記積層膜における前記第１層及び前記第２層の繰り返し積層回数が４以上である、セレクタ装置。 - 前記積層膜の総膜厚が１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である、請求項１４に記載のセレクタ装置。
- 前記第１層及び前記第２層の膜厚がそれぞれ０．５ｎｍ以上である、請求項１４又は請求項１５に記載のセレクタ装置。
- 前記第１材料は、炭素、窒化チタン、及びホウ化チタンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、前記第２材料は、テルル、金、銀、鉛、ビスマス、インジウム、タングステン、及びマンガンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１４ないし請求項１６のいずれか１項に記載のセレクタ装置。
- 前記第１電極及び前記第２電極は、それぞれ前記積層膜を備える、請求項１４ないし請求項１７のいずれか１項に記載のセレクタ装置。
- 請求項１ないし請求項１８のいずれか１項に記載のセレクタ装置と、
前記セレクタ装置の前記セレクタ層と電気的に接続され、かつ前記セレクタ層と積層された抵抗変化層と
を具備する半導体記憶装置。
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