JP2024089605A - Storage device - Google Patents
Storage device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2024089605A JP2024089605A JP2023116214A JP2023116214A JP2024089605A JP 2024089605 A JP2024089605 A JP 2024089605A JP 2023116214 A JP2023116214 A JP 2023116214A JP 2023116214 A JP2023116214 A JP 2023116214A JP 2024089605 A JP2024089605 A JP 2024089605A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- conductive layer
- voltage
- memory
- switching
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 115
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 100
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims abstract description 99
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 72
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 72
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 66
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 66
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 50
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 50
- 239000011669 selenium Substances 0.000 claims abstract description 45
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 25
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims abstract description 23
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 122
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 122
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 101
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 101
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 100
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 67
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 62
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 42
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 42
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 31
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 28
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 28
- -1 tungsten nitride Chemical class 0.000 claims description 22
- JMANVNJQNLATNU-UHFFFAOYSA-N oxalonitrile Chemical compound N#CC#N JMANVNJQNLATNU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 17
- LRTTZMZPZHBOPO-UHFFFAOYSA-N [B].[B].[Hf] Chemical compound [B].[B].[Hf] LRTTZMZPZHBOPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910002111 aluminum magnesium boride Inorganic materials 0.000 claims description 16
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 15
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 15
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 14
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000011701 zinc Substances 0.000 abstract description 9
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce] ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 556
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 description 75
- 230000006870 function Effects 0.000 description 51
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 40
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 36
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 36
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 24
- SKJCKYVIQGBWTN-UHFFFAOYSA-N (4-hydroxyphenyl) methanesulfonate Chemical compound CS(=O)(=O)OC1=CC=C(O)C=C1 SKJCKYVIQGBWTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 17
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 12
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 12
- XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N telluride(2-) Chemical compound [Te-2] XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 9
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 9
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 8
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 8
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 8
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 7
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 7
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 7
- 238000005430 electron energy loss spectroscopy Methods 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 6
- HWJHZLJIIWOTGZ-UHFFFAOYSA-N n-(hydroxymethyl)acetamide Chemical compound CC(=O)NCO HWJHZLJIIWOTGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910000484 niobium oxide Inorganic materials 0.000 description 6
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- WYUZTTNXJUJWQQ-UHFFFAOYSA-N tin telluride Chemical compound [Te]=[Sn] WYUZTTNXJUJWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 5
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 4
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 4
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N lanthanum(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[La+3].[La+3] MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N (fluoren-9-ylideneamino) n-naphthalen-1-ylcarbamate Chemical compound C12=CC=CC=C2C2=CC=CC=C2C1=NOC(=O)NC1=CC=CC2=CC=CC=C12 PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000005083 Zinc sulfide Substances 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- NNLOHLDVJGPUFR-UHFFFAOYSA-L calcium;3,4,5,6-tetrahydroxy-2-oxohexanoate Chemical compound [Ca+2].OCC(O)C(O)C(O)C(=O)C([O-])=O.OCC(O)C(O)C(O)C(=O)C([O-])=O NNLOHLDVJGPUFR-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000001787 chalcogens Chemical class 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 description 3
- ZZEMEJKDTZOXOI-UHFFFAOYSA-N digallium;selenium(2-) Chemical compound [Ga+3].[Ga+3].[Se-2].[Se-2].[Se-2] ZZEMEJKDTZOXOI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- AKUCEXGLFUSJCD-UHFFFAOYSA-N indium(3+);selenium(2-) Chemical compound [Se-2].[Se-2].[Se-2].[In+3].[In+3] AKUCEXGLFUSJCD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000006386 memory function Effects 0.000 description 3
- QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N nonaoxidotritungsten Chemical compound O=[W]1(=O)O[W](=O)(=O)O[W](=O)(=O)O1 QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OMEPJWROJCQMMU-UHFFFAOYSA-N selanylidenebismuth;selenium Chemical compound [Se].[Bi]=[Se].[Bi]=[Se] OMEPJWROJCQMMU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000004771 selenides Chemical class 0.000 description 3
- MFIWAIVSOUGHLI-UHFFFAOYSA-N selenium;tin Chemical compound [Sn]=[Se] MFIWAIVSOUGHLI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- GKCNVZWZCYIBPR-UHFFFAOYSA-N sulfanylideneindium Chemical compound [In]=S GKCNVZWZCYIBPR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000004763 sulfides Chemical class 0.000 description 3
- 150000004772 tellurides Chemical class 0.000 description 3
- AFNRRBXCCXDRPS-UHFFFAOYSA-N tin(ii) sulfide Chemical compound [Sn]=S AFNRRBXCCXDRPS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001930 tungsten oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 3
- DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N zinc;sulfide Chemical compound [S-2].[Zn+2] DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 2
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005001 rutherford backscattering spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000001004 secondary ion mass spectrometry Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052810 boron oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N germanium oxide Inorganic materials O=[Ge]=O YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007496 glass forming Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- PVADDRMAFCOOPC-UHFFFAOYSA-N oxogermanium Chemical compound [Ge]=O PVADDRMAFCOOPC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
【課題】特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置を提供する。
【解決手段】実施形態の記憶装置は、第1の導電層と、第2の導電層と、第1の導電層と第2の導電層との間に設けられた第3の導電層と、第1の導電層と第3の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、第3の導電層と第2の導電層との間に設けられたスイッチング層と、を含むメモリセルを備える。スイッチング層は、ジルコニウム、イットリウム、タンタル、ランタン、セリウム、チタン、ハフニウム、及びマグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物と、亜鉛、スズ、ガリウム、インジウム、及びビスマスからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル、硫黄、及びセレンからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物と、を含む。
【選択図】図2
A memory device having a switching element with excellent characteristics is provided.
[Solution] A memory device according to an embodiment includes a memory cell including a first conductive layer, a second conductive layer, a third conductive layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer, a resistance change layer provided between the first conductive layer and the third conductive layer, and a switching layer provided between the third conductive layer and the second conductive layer. The switching layer includes an oxide of a first element, which is at least one element selected from the group consisting of zirconium, yttrium, tantalum, lanthanum, cerium, titanium, hafnium, and magnesium, a compound of a second element, which is at least one element selected from the group consisting of zinc, tin, gallium, indium, and bismuth, and a third element, which is at least one element selected from the group consisting of tellurium, sulfur, and selenium.
[Selected figure] Figure 2
Description
本発明の実施形態は、記憶装置に関する。 An embodiment of the present invention relates to a storage device.
大容量の不揮発性記憶装置として、クロスポイント型の2端子の記憶装置がある。クロスポイント型の2端子の記憶装置は、メモリセルの微細化・高集積化が容易である。 Cross-point type two-terminal memory devices are examples of large-capacity non-volatile memory devices. Cross-point type two-terminal memory devices make it easy to miniaturize memory cells and achieve high integration.
クロスポイント型の2端子の記憶装置のメモリセルは、例えば、抵抗変化素子とスイッチング素子を有する。メモリセルがスイッチング素子を有することで、選択メモリセル以外のメモリセルに流れる電流が抑制される。 The memory cells of a cross-point type two-terminal memory device have, for example, a resistance change element and a switching element. By having a switching element in the memory cell, the current flowing to memory cells other than the selected memory cell is suppressed.
スイッチング素子には、低いリーク電流、高いオン電流、及び高い信頼性など、優れた特性を備えることが要求される。 Switching elements are required to have excellent characteristics, such as low leakage current, high on-state current, and high reliability.
本発明が解決しようとする課題は、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置を提供することにある。 The problem that this invention aims to solve is to provide a memory device that has switching elements with excellent characteristics.
実施形態の記憶装置は、第1の導電層と、第2の導電層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層との間に設けられた第3の導電層と、前記第1の導電層と前記第3の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、前記第3の導電層と前記第2の導電層との間に設けられたスイッチング層と、を含むメモリセルを備え、前記スイッチング層は、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、及びマグネシウム(Mg)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物と、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物と、を含む。 The memory device of the embodiment includes a memory cell including a first conductive layer, a second conductive layer, a third conductive layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer, a resistance change layer provided between the first conductive layer and the third conductive layer, and a switching layer provided between the third conductive layer and the second conductive layer, and the switching layer includes an oxide of a first element which is at least one element selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), tantalum (Ta), lanthanum (La), cerium (Ce), titanium (Ti), hafnium (Hf), and magnesium (Mg), a second element which is at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), and bismuth (Bi), and a compound of a third element which is at least one element selected from the group consisting of tellurium (Te), sulfur (S), and selenium (Se).
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材などには同一の符号を付し、一度説明した部材などについては適宜その説明を省略する。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or similar components will be given the same reference numerals, and the description of components that have already been described will be omitted as appropriate.
本明細書中の記憶装置を構成する化学組成の定性分析及び定量分析は、例えば、ラザフォード後方散乱分光法(Rutherford Backscattering Spectroscopy:RBS)、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectroscopy:SIMS)、エネルギー分散型X線分光法(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy:EDX)や電子エネルギー損失分光法(Electron Energy Loss Spectroscopy:EELS)などにより行うことが可能である。また、記憶装置を構成する部材の厚さ、部材間の距離等の測定には、例えば、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)を用いることが可能である。また、記憶装置を構成する部材の構成物質の同定、存在割合、結合状態、局所構造(原子間距離、配位数)、化学状態の計測には、例えば、X線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)、X線吸収微細構造解析(X-ray Absorption Fine Structure:XAFS)、ラマン分光法(Raman Spectroscopy:Raman)、又はEELSを用いることが可能である。 Qualitative and quantitative analysis of the chemical composition constituting the memory device in this specification can be performed, for example, by Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS), Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), and Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS). In addition, for example, a transmission electron microscope (TEM) can be used to measure the thickness of the components constituting the memory device, the distance between the components, etc. In addition, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray absorption fine structure (XAFS), Raman spectroscopy (Raman), or EELS can be used to identify the constituent materials of the components constituting the memory device, and measure their abundance ratio, bonding state, local structure (atomic distance, coordination number), and chemical state.
(第1の実施形態)
第1の実施形態の記憶装置は、第1の導電層と、第2の導電層と、第1の導電層と第2の導電層との間に設けられた第3の導電層と、第1の導電層と第3の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、第3の導電層と第2の導電層との間に設けられたスイッチング層と、を含むメモリセルを備える。そして、スイッチング層は、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、及びマグネシウム(Mg)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物と、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物と、を含む。
First Embodiment
The memory device of the first embodiment includes a memory cell including a first conductive layer, a second conductive layer, a third conductive layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer, a resistance change layer provided between the first conductive layer and the third conductive layer, and a switching layer provided between the third conductive layer and the second conductive layer. The switching layer includes an oxide of a first element, which is at least one element selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), tantalum (Ta), lanthanum (La), cerium (Ce), titanium (Ti), hafnium (Hf), and magnesium (Mg), a second element, which is at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), and bismuth (Bi), and a compound of a third element, which is at least one element selected from the group consisting of tellurium (Te), sulfur (S), and selenium (Se).
また、第1の実施形態の記憶装置は、複数の第1の配線と、複数の第1の配線と交差する複数の第2の配線と、を更に備える。そして、複数の第1の配線の一つと、複数の第2の配線の一つが交差する領域に上記メモリセルが設けられる。 The memory device of the first embodiment further includes a plurality of first wirings and a plurality of second wirings that intersect with the plurality of first wirings. The memory cell is provided in a region where one of the plurality of first wirings intersects with one of the plurality of second wirings.
図1は、第1の実施形態の記憶装置のブロック図である。 Figure 1 is a block diagram of a storage device according to the first embodiment.
第1の実施形態の記憶装置のメモリセルアレイ100は、例えば、半導体基板101上に絶縁層を介して、複数のワード線102と、ワード線102と交差する複数のビット線103とを備える。ビット線103は、例えば、ワード線102の上層に設けられる。また、メモリセルアレイ100の周囲には、周辺回路として、第1の制御回路104、第2の制御回路105、センス回路106が設けられる。
The
ワード線102は第1の配線の一例である。また、ビット線103は、第2の配線の一例である。
The
ワード線102と、ビット線103が交差する領域に、複数のメモリセルMCが設けられる。第1の実施形態の記憶装置は、クロスポイント構造を備える二端子の磁気抵抗メモリである。
Multiple memory cells MC are provided in the region where the word lines 102 and
複数のワード線102は、それぞれ、第1の制御回路104に接続される。また、複数のビット線103は、それぞれ、第2の制御回路105に接続される。センス回路106は、第1の制御回路104及び第2の制御回路105に接続される。
The word lines 102 are each connected to a
第1の制御回路104及び第2の制御回路105は、例えば、所望のメモリセルMCを選択し、そのメモリセルMCへのデータの書き込み、メモリセルMCのデータの読み出し、メモリセルMCのデータの消去等を行う機能を備える。データの読み出し時に、メモリセルMCのデータは、ワード線102と、ビット線103との間に流れる電流量として、又はビット線103の電位変化として読み出される。センス回路106は、その電流量を判定して、データの極性を判断する機能を備える。例えば、データの“0”、“1”を判定する。
The
第1の制御回路104、第2の制御回路105、及び、センス回路106は、例えば、半導体基板101上に形成される半導体デバイスを用いた電子回路で構成される。
The
図2は、第1の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図2は、図1のメモリセルアレイ100中の、例えば点線の円で示される一個のメモリセルMCの断面を示す。
Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of the memory device of the first embodiment. Figure 2 shows a cross-section of one memory cell MC, for example, indicated by a dotted circle, in the
メモリセルMCは、図2に示すように、下部電極10、上部電極20、中間電極30、スイッチング層40、及び、抵抗変化層50を備える。抵抗変化層50は、固定層51、トンネル層52、及び自由層53を含む。
As shown in FIG. 2, the memory cell MC includes a
下部電極10は、第1の導電層の一例である。上部電極20は、第2の導電層の一例である。中間電極30は、第3の導電層の一例である。
The
下部電極10、スイッチング層40、及び中間電極30が、メモリセルMCのスイッチング素子を構成する。中間電極30、抵抗変化層50、及び上部電極20が、メモリセルMCの抵抗変化素子を構成する。
The
下部電極10はワード線102に接続される。下部電極10は、例えば金属である。下部電極10は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。下部電極10はワード線102の一部であっても構わない。
The
上部電極20はビット線103に接続される。上部電極20は、例えば金属である。上部電極20は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。上部電極20はビット線103の一部であっても構わない。
The
中間電極30は、下部電極10と上部電極20との間に設けられる。中間電極30は、例えば金属である。中間電極30は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
スイッチング層40は、下部電極10と中間電極30との間に設けられる。スイッチング層40の下部電極10から上部電極20に向かう第1の方向の厚さは、例えば、5nm以上50nm以下である。スイッチング層40の下部電極10から上部電極20に向かう第1の方向の厚さは、例えば、5nm以上20nm以下であることがより好ましい。
The
スイッチング層40は、半選択セルに流れる半選択リーク電流の増加を抑制する機能を有する。スイッチング層40は、特定の閾値電圧で電流が急峻に立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する。
The
スイッチング層40は、酸化物とカルコゲン化物を含む。カルコゲン化物(chalcogenide)は、カルコゲン元素であるテルル(Te)、硫黄(S)、又はセレン(Se)と、他の元素とが結合した化合物である。
The
スイッチング層40は、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、及びマグネシウム(Mg)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物を含む。スイッチング層40は、例えば、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化タンタル、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化チタン、酸化ハフニウム、及び酸化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの酸化物を含む。スイッチング層40は、より好ましくは、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、及びセリウム(Ce)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物を含む。スイッチング層40は、より好ましくは、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、及び酸化セリウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの酸化物を含む。
The
スイッチング層40が第1の元素の酸化物を含むか否かは、例えば、X線光電子分光法(XPS)又は電子エネルギー損失分光法(EELS)を用いて判定することが可能である。
Whether the
スイッチング層40における、第1の元素の原子濃度に対する酸素(O)の原子濃度の比率は、例えば、0.5以上4.0以下である。スイッチング層40における、第1の元素の原子濃度に対する酸素(O)の原子濃度の比率は、より好ましくは0.5以上3.0以下である。
In the
スイッチング層40は、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物であるカルコゲン化物を含む。スイッチング層40は、第2の元素のカルコゲン化物を含む。スイッチング層40は、例えば、テルル化亜鉛、テルル化スズ、テルル化ガリウム、テルル化インジウム、テルル化ビスマス、硫化亜鉛、硫化スズ、硫化ガリウム、硫化インジウム、硫化ビスマス、セレン化亜鉛、セレン化スズ、セレン化ガリウム、セレン化インジウム、及びセレン化ビスマスからなる群から選ばれる少なくとも一つのカルコゲン化物を含む。第3の元素としてより好ましくはテルル(Te)であり、スイッチング層40は、より好ましくは、テルル化亜鉛、テルル化スズ、テルル化ガリウム、テルル化インジウム、及びテルル化ビスマスからなる群から選ばれる少なくとも一つのカルコゲン化物を含む。テルル化物は、硫化物、セレン化物と比べて、バンドギャップが小さいため、書き込み電圧を相対的に小さくすることができ、書き込みを繰り返した場合の、半選択リーク電流の変動や、オン電流の変動などの特性変動を抑制することができるという利点を持つ。
The
スイッチング層40が第2の元素のカルコゲン化物を含むか否かは、例えば、X線吸収微細構造解析(XAFS)、ラマン分光法(Raman)、又は電子エネルギー損失分光法(EELS)を用いて判定することが可能である。
Whether the
図3(a)、図3(b)、図4(a)、及び図4(b)は、第1の実施形態の記憶装置の分析結果を示す図である。図3(a)、図3(b)、図4(a)、及び図4(b)は、第1の元素がジルコニウム(Zr)、第2の元素が亜鉛(Zn)、第3の元素がテルル(Te)の場合のスイッチング層40のXAFSによる分析結果を示す。
Figures 3(a), 3(b), 4(a), and 4(b) are diagrams showing the analysis results of the memory device of the first embodiment. Figures 3(a), 3(b), 4(a), and 4(b) show the analysis results by XAFS of the
図3(a)、図3(b)は、亜鉛(Zn)に着目した原子間距離の測定結果である。図3(a)及び図3(b)の横軸は原子間距離、縦軸は信号強度である。図3(a)は標準試料の波形、図3(b)はスイッチング層40の実測の波形である。
Figures 3(a) and 3(b) show the results of measuring the interatomic distance focusing on zinc (Zn). The horizontal axis of Figures 3(a) and 3(b) is the interatomic distance, and the vertical axis is the signal intensity. Figure 3(a) shows the waveform of the standard sample, and Figure 3(b) shows the measured waveform of the
図3(a)の波形と図3(b)の波形の比較から、実測された波形は、テルル化亜鉛(ZnTe)に対応する波形であることが分かる。例えば、図3(b)では、約2.5Å(オングストローム)にピークがあり、これは図3(a)のテルル化亜鉛(ZnTe)のピークに対応する。したがって、スイッチング層40にテルル化亜鉛が含まれることが確認できる。
Comparing the waveforms in Figures 3(a) and 3(b), it can be seen that the measured waveform corresponds to zinc telluride (ZnTe). For example, in Figure 3(b), there is a peak at about 2.5 Å (angstroms), which corresponds to the zinc telluride (ZnTe) peak in Figure 3(a). Therefore, it can be confirmed that zinc telluride is contained in the
図4(a)、図4(b)は、亜鉛(Zn)に着目した吸収スペクトルの測定結果である。図4(a)及び図4(b)の横軸はエネルギー、縦軸は信号強度である。図4(a)は標準試料の波形、図4(b)はスイッチング層40の実測の波形である。
Figures 4(a) and 4(b) show the results of measuring the absorption spectrum focusing on zinc (Zn). The horizontal axis of Figures 4(a) and 4(b) is energy, and the vertical axis is signal intensity. Figure 4(a) shows the waveform of the standard sample, and Figure 4(b) shows the measured waveform of the
図4(a)の波形と図4(b)の波形の比較から、実測された波形は、テルル化亜鉛(ZnTe)に対応する波形であることが分かる。例えば、図4(b)では、約9663eVにピークがあり、これは図4(a)のテルル化亜鉛(ZnTe)のピークに対応する。したがって、スイッチング層40にテルル化亜鉛が含まれることが確認できる。また、例えば、約1020eVから約1050eVに現れるピークから、テルル化亜鉛(ZnTe)が含まれていることを確認しても良い。なお、約9663eVのピークは亜鉛(Zn)のK端に相当し、約1020eVから約1050eVのピークは亜鉛(Zn)のL端に相当する。
Comparing the waveforms in FIG. 4(a) and FIG. 4(b), it can be seen that the measured waveform corresponds to zinc telluride (ZnTe). For example, in FIG. 4(b), there is a peak at about 9663 eV, which corresponds to the peak of zinc telluride (ZnTe) in FIG. 4(a). Therefore, it can be confirmed that zinc telluride is contained in the
なお、図3(a)、図3(b)、図4(a)、及び図4(b)は、入射光としてX線を用いたXAFSによる測定の例を示したが、XAFSと同様の測定原理に基づく、入射光として電子線を用いたEELSを用いても、XAFSと同様の測定が可能である。 Note that Figures 3(a), 3(b), 4(a), and 4(b) show examples of XAFS measurements using X-rays as incident light, but measurements similar to XAFS are also possible using EELS, which uses an electron beam as incident light and is based on the same measurement principle as XAFS.
上記酸化物及び上記カルコゲン化物は、例えば、スイッチング層40の主成分である。上記酸化物及び上記カルコゲン化物がスイッチング層40の主成分であるとは、スイッチング層40に含まれる物質の中で、上記酸化物又は上記カルコゲン化物よりもモル分率の高い物質が存在しないことを意味する。
The oxide and the chalcogenide are, for example, the main components of the
スイッチング層40における、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和は、例えば、90%以上である。
The sum of the atomic concentrations of the first element, the second element, the third element, and oxygen (O) in the
スイッチング層40は、例えば、上記酸化物及び上記カルコゲン化物の混合物を含む。上記酸化物及び上記カルコゲン化物は、例えば、混合した状態で、スイッチング層40の中に存在する。
The
スイッチング層40における、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、第1の元素と酸素(O)の原子濃度の和の比率は、例えば、3%以上97%以下である。例えば、第1の元素がジルコニウム(Zr)、第2の元素が亜鉛(Zn)、第3の元素がテルル(Te)の場合、スイッチング層40における、ジルコニウム(Zr)、亜鉛(Zn)、テルル(Te)及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、ジルコニウム(Zr)と酸素(O)の原子濃度の和の比率((Zr+O)/(Zr+Zn+Te+O))は、例えば、3%以上97%以下である。
In the
図5は、第1の実施形態の記憶装置のスイッチング層の化学組成の一例を示す図である。図5は、第1の元素がジルコニウム(Zr)、第2の元素が亜鉛(Zn)、第3の元素がテルル(Te)の場合の化学組成を三角ダイアグラム上で例示している。三角ダイアグラムは、スイッチング層40の「ジルコニウム(Zr)と酸素(O)の和」、「亜鉛(Zn)」、「テルル(Te)」を頂点とする。
Figure 5 is a diagram showing an example of the chemical composition of the switching layer of the memory device of the first embodiment. Figure 5 shows an example of the chemical composition on a triangular diagram when the first element is zirconium (Zr), the second element is zinc (Zn), and the third element is tellurium (Te). The triangular diagram has the vertices of "the sum of zirconium (Zr) and oxygen (O)", "zinc (Zn)", and "tellurium (Te)" of the
スイッチング層40における、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、第1の元素と酸素(O)の原子濃度の和の比率は、例えば、5%以上80%未満である。また、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、第3の元素の原子濃度と第2の元素の原子濃度の差の絶対値の比率は、例えば、20%以下である。第1の元素がジルコニウム(Zr)、第2の元素が亜鉛(Zn)、第3の元素がテルル(Te)の場合の上記組成範囲は、図5の三角ダイアグラム上でハッチングされた領域の組成範囲である。
In the
ジルコニウム(Zr)、亜鉛(Zn)、テルル(Te)、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、ジルコニウム(Zr)と酸素(O)の原子濃度の和の比率(Zr+O)/(Zr+Zn+Te+O)が、例えば、5%以上80%未満である。そして、例えば、ジルコニウム(Zr)、亜鉛(Zn)、テルル(Te)、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、テルル(Te)の原子濃度と亜鉛(Zn)の原子濃度の差の絶対値の比率(|Te-Zn|)/(Zr+Zn+Te+O)が、例えば、20%以下である。 The ratio (Zr+O)/(Zr+Zn+Te+O) of the sum of the atomic concentrations of zirconium (Zr) and oxygen (O) to the sum of the atomic concentrations of zirconium (Zr), zinc (Zn), tellurium (Te), and oxygen (O) is, for example, 5% or more and less than 80%. And, for example, the ratio (|Te-Zn|)/(Zr+Zn+Te+O) of the absolute value of the difference between the atomic concentration of tellurium (Te) and the atomic concentration of zinc (Zn) to the sum of the atomic concentrations of zirconium (Zr), zinc (Zn), tellurium (Te), and oxygen (O) is, for example, 20% or less.
スイッチング層40における、第3の元素の原子濃度は、例えば、第2の元素の原子濃度より高い。例えば、第2の元素が亜鉛(Zn)、第3の元素がテルル(Te)の場合、スイッチング層40における、テルル(Te)の原子濃度は、例えば、亜鉛(Zn)の原子濃度よりも高い。
The atomic concentration of the third element in the
スイッチング層40には、例えば、第2の元素と第3の元素が結合して形成されるカルコゲン化物と、カルコゲン化物を形成しない余剰の第3の元素が存在する。例えば、第2の元素が亜鉛(Zn)、第3の元素がテルル(Te)の場合、スイッチング層40に、テルル化亜鉛と余剰のテルル(Te)が共存する。
In the
例えば、スイッチング層40に含まれる酸化物の少なくとも一部は結晶質である。スイッチング層40に含まれる酸化物の少なくとも一部が結晶質であるか否かは、例えば、電子線回折法を用いて判定することが可能である。なお、スイッチング層40に含まれるカルコゲン化物の一部が結晶質であっても構わない。
For example, at least a portion of the oxide contained in the
スイッチング層40は、例えば、炭素(C)、ボロン(B)、窒素(N)、ゲルマニウム(Ge)、シリコン(Si)、及びアルミニウム(Al)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第4の元素を含む。スイッチング層40に含まれる第4の元素の原子濃度は、例えば、5%以上20%以下である。
The
スイッチング層40は、例えば、スパッタリング法により形成することが可能である。第1の元素の酸化物と、第2の元素のカルコゲン化物を含むスイッチング層40は、例えば、第1の元素の酸化物から成るターゲットと、第2の元素のカルコゲン化物から成るターゲットを用いたコ・スパッタリング法(co-sputtering法)により形成することが可能である。また、スイッチング層40は、例えば、第1の元素の酸化物と、第2の元素のカルコゲン化物との混合物からなるターゲットを用いたスパッタリング法により形成することが可能である。
The
抵抗変化層50は、中間電極30と上部電極20との間に設けられる。抵抗変化層50は、固定層51、トンネル層52、及び自由層53を有する。抵抗変化層50は、固定層51、トンネル層52、及び自由層53で構成される磁気トンネル接合を含む。
The
抵抗変化層50は、抵抗変化によりデータを記憶する機能を有する。抵抗変化層50は、例えば、所定の電圧の印加により電気抵抗が変化する特性を有する。
The
固定層51は、強磁性体である。固定層51では、所定の書き込み電圧に対して磁化方向が変化せず、磁化方向が特定の方向に固定される。
The fixed
トンネル層52は、絶縁体である。トンネル層52では、電子がトンネル効果によって通過する。
The
自由層53は、強磁性体である。自由層53では、所定の書き込み電圧に対して磁化方向が変化する。自由層53の磁化方向は、固定層51の磁化方向と平行な状態、及び、固定層51の磁化方向と反平行な状態のどちらの状態もとることが可能である。例えば、中間電極30と上部電極20との間に、電圧を印加し電流を流すことにより、自由層53の磁化方向を変化させることが可能となる。
The
自由層53の磁化方向を変化させることで、抵抗変化層50の電気抵抗が変化する。自由層53の磁化方向が固定層51の磁化方向と反平行な状態になる場合、電流が流れにくい高抵抗状態となる。一方、自由層53の磁化方向が固定層51の磁化方向と平行な状態になる場合、電流が流れやすい低抵抗状態となる。なお、固定層51と自由層53の配置は逆でも良い。つまり、中間電極30、自由層53、トンネル層52、固定層51、上部電極20の順に積層されていても良い。
The electrical resistance of the
次に、第1の実施形態の記憶装置の作用及び効果について説明する。 Next, the operation and effects of the storage device of the first embodiment will be described.
第1の実施形態の記憶装置は、上述のように、自由層53の磁化方向を変化させることで、抵抗変化層50の抵抗が変化する。自由層53の磁化方向が固定層51の磁化方向と反平行な状態になる場合、電流が流れにくい高抵抗状態となる。一方、自由層53の磁化方向が固定層51の磁化方向と平行な状態になる場合、電流が流れやすい低抵抗状態となる。
As described above, in the memory device of the first embodiment, the resistance of the
例えば、抵抗変化層50の高抵抗状態をデータ“1”、低抵抗状態をデータ“0”と定義する。メモリセルMCは異なる抵抗状態を維持できることで、“0”と“1”の1ビットデータを記憶することが可能となる。1つのメモリセルMCの書き込みは、そのメモリセルMCに接続されたビット線103とワード線102との間に電圧を印加し電流を流すことで行う。
For example, the high resistance state of the
図6は、第1の実施形態の記憶装置の課題の説明図である。図6は、メモリセルアレイ内の1個のメモリセルMCを書き込み動作のために選択した際に、メモリセルMCに印加される電圧を示している。ワード線とビット線の交点が、各メモリセルMCを表している。 Figure 6 is an explanatory diagram of the problem of the memory device of the first embodiment. Figure 6 shows the voltage applied to a memory cell MC when one memory cell MC in the memory cell array is selected for a write operation. Each memory cell MC is represented by an intersection of a word line and a bit line.
選択されたメモリセルMCはメモリセルA(選択セル)である。メモリセルAにつながるワード線には書き込み電圧Vwriteが印加される。また、メモリセルAにつながるビット線には、0Vが印加される。 The selected memory cell MC is memory cell A (selected cell). A write voltage Vwrite is applied to the word line connected to memory cell A. In addition, 0 V is applied to the bit line connected to memory cell A.
以下、メモリセルAと接続されないワード線及びビット線には、書き込み電圧の半分の電圧(Vwrite/2)が印加される場合を例に説明する。 The following describes an example in which half the write voltage (Vwrite/2) is applied to the word line and bit line that are not connected to memory cell A.
メモリセルAと接続されないワード線及びビット線に接続されたメモリセルC(非選択セル)に印加される電圧は0Vである。すなわち、電圧は印加されない。 The voltage applied to memory cell C (unselected cell) connected to the word line and bit line that are not connected to memory cell A is 0V. In other words, no voltage is applied.
一方、メモリセルAと接続されたワード線又はビット線に接続されたメモリセルB(半選択セル)には、書き込み電圧Vwriteの半分の電圧(Vwrite/2)が印加される。したがって、メモリセルB(半選択セル)には、半選択リーク電流が流れることになる。 Meanwhile, a voltage that is half the write voltage Vwrite (Vwrite/2) is applied to memory cell B (half-selected cell) connected to the word line or bit line connected to memory cell A. Therefore, a half-selection leakage current flows through memory cell B (half-selected cell).
なお、上記以外の印加方式として、メモリセルAにつながるワード線に書き込み電圧の半分の電圧(Vwrite/2)を、ビット線に書き込み電圧の半分の負電圧(-Vwrite/2)を、メモリセルAにつながらないワード線及びビット線に0Vを印加する方式を使用しても良い。 In addition, as an alternative to the above, a method of applying half the write voltage (Vwrite/2) to the word line connected to memory cell A, a negative voltage (-Vwrite/2) that is half the write voltage to the bit line, and 0 V to the word line and bit line not connected to memory cell A may be used.
図7は、第1の実施形態のスイッチング素子の電流電圧特性の説明図である。横軸がスイッチング素子に印加される電圧、縦軸がスイッチング素子に流れる電流である。 Figure 7 is an explanatory diagram of the current-voltage characteristics of the switching element of the first embodiment. The horizontal axis is the voltage applied to the switching element, and the vertical axis is the current flowing through the switching element.
スイッチング素子は閾値電圧Vthで電流が急峻に立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する。閾値電圧Vthは、例えば、0.5V以上3V以下である。 The switching element has a nonlinear current-voltage characteristic in which the current rises sharply at a threshold voltage Vth. The threshold voltage Vth is, for example, 0.5 V or more and 3 V or less.
書き込み電圧Vwriteが閾値電圧Vthより高く、書き込み電圧Vwriteの半分の電圧(Vwrite/2)が閾値電圧より低くなるように、書き込み電圧Vwriteは設定される。書き込み電圧Vwriteを印加した時にスイッチング素子に流れる電流がオン電流(図7中のIon)である。書き込み電圧Vwriteの半分の電圧(Vwrite/2)を印加した時にスイッチング素子に流れる電流が半選択リーク電流(図7中のIhalf)である。 The write voltage Vwrite is set so that the write voltage Vwrite is higher than the threshold voltage Vth and half the write voltage Vwrite (Vwrite/2) is lower than the threshold voltage. The current that flows through the switching element when the write voltage Vwrite is applied is the on-current (Ion in FIG. 7). The current that flows through the switching element when half the write voltage Vwrite (Vwrite/2) is applied is the half-select leakage current (Ihalf in FIG. 7).
なお、メモリセルMCの読み出し電圧Vreadは、例えば、図7に示すように、閾値電圧Vthより高く、書き込み電圧Vwriteより低い電圧に設定される。したがって、メモリセルMCの読み出しの際に、半選択セルに流れる半選択リーク電流も抑制できる。 The read voltage Vread of the memory cell MC is set to a voltage higher than the threshold voltage Vth and lower than the write voltage Vwrite, for example, as shown in FIG. 7. Therefore, when reading the memory cell MC, the half-selection leakage current flowing through the half-selected cell can also be suppressed.
半選択リーク電流が大きいと、例えば、チップの消費電力の増大を招く。また、例えば、配線での電圧降下が増加して選択セルに十分高い電圧が印加されなくなり、メモリセルMCへの書き込み動作が不安定となる。また、オン電流が小さいと、例えば、選択セルに流れる電流が不足し、メモリセルMCへの書き込み不足が生じる。したがって、スイッチング素子の電流電圧特性には、低い半選択リーク電流と高いオン電流を両立することが要求される。 If the half-select leakage current is large, for example, it will lead to increased power consumption of the chip. Also, for example, the voltage drop in the wiring will increase, and a sufficiently high voltage will not be applied to the selected cell, making the write operation to the memory cell MC unstable. Also, if the on-current is small, for example, the current flowing to the selected cell will be insufficient, resulting in insufficient writing to the memory cell MC. Therefore, the current-voltage characteristics of the switching element are required to achieve both a low half-select leakage current and a high on-current.
さらに、スイッチング素子の電流電圧特性には、高い信頼性も要求される。すなわち、メモリセルMCへのデータの書き込みを繰り返した場合の、半選択リーク電流の変動や、オン電流の変動などの特性変動を抑制し、高い信頼性を実現することが要求される。 Furthermore, the current-voltage characteristics of the switching element must be highly reliable. In other words, it is necessary to suppress characteristic variations, such as variations in the semi-selection leakage current and the on-current, when data is repeatedly written to the memory cell MC, and to achieve high reliability.
例えば、第1の比較例のスイッチング素子として、スイッチング層が第2の元素のカルコゲン化物のみで形成され、第1の元素の酸化物を含まないスイッチング素子を考える。第1の比較例のスイッチング素子では、高い半選択リーク電流や、メモリセルMCへのデータの書き込みを繰り返した場合の特性変動が大きい、という問題がある。 For example, as a switching element of the first comparative example, consider a switching element in which the switching layer is formed only from a chalcogenide of the second element and does not contain an oxide of the first element. The switching element of the first comparative example has problems such as a high semi-selection leakage current and large fluctuations in characteristics when data is repeatedly written to the memory cell MC.
第1の比較例のスイッチング素子で生じる上記問題の原因の一つは、非晶質のカルコゲン化物が結晶化することであると考えられる。例えば、カルコゲン化物が結晶化することにより、密度の増大とともに原子間距離が小さくなり、リーク電流が増大することが原因であると考えられる。また、例えば、カルコゲン化物の結晶粒界がリーク電流を増大させることが原因であると考えられる。また、例えば、カルコゲン化物が結晶化することにより生ずる応力で、スイッチング層と電極との膜はがれが生じることが原因であると考えられる。 One of the causes of the above problems occurring in the switching element of the first comparative example is believed to be the crystallization of the amorphous chalcogenide. For example, it is believed that as the chalcogenide crystallizes, the density increases and the interatomic distance decreases, causing an increase in leakage current. It is also believed that, for example, the crystal grain boundaries of the chalcogenide increase the leakage current. It is also believed that, for example, the stress generated by the crystallization of the chalcogenide causes film peeling between the switching layer and the electrode.
例えば、第2の比較例のスイッチング素子として、スイッチング層が第1の元素の酸化物と第2の元素のみで形成され、第2の元素のカルコゲン化物を含まないスイッチング素子を考える。第2の比較例のスイッチング素子では、メモリセルMCへのデータの書き込みを繰り返した場合の特性変動が大きいという問題がある。 For example, as a switching element of the second comparative example, consider a switching element in which the switching layer is formed only from an oxide of the first element and the second element, and does not contain a chalcogenide of the second element. The switching element of the second comparative example has a problem in that the characteristics fluctuate greatly when data is repeatedly written to the memory cell MC.
第2の比較例のスイッチング素子で生じる上記問題の原因の一つは、書き込みを繰り返した際に、スイッチング層の中で第2の元素が凝集することであると考えられる。例えば、第2の元素が凝集することでリーク電流の経路が形成されることが原因であると考えられる。 One of the causes of the above problem occurring in the switching element of the second comparative example is thought to be the aggregation of the second element in the switching layer when writing is repeated. For example, it is thought that this is caused by the aggregation of the second element forming a path for leakage current.
第1の実施形態のスイッチング素子のスイッチング層40は、第1の元素の酸化物と第2の元素のカルコゲン化物を含む。スイッチング層40が第1の元素の酸化物と第2の元素のカルコゲン化物を含むことにより、低い半選択リーク電流、及び、特性変動の抑制、が実現できる。
The
第1の実施形態において、スイッチング素子の低い半選択リーク電流、及び、特性変動の抑制、が実現できるのは、スイッチング層40が第1の元素の酸化物と第2の元素のカルコゲン化物を含むことで、第2の元素のカルコゲン化物の結晶化が抑制できるためであると考えられる。すなわち、第2の元素のカルコゲン化物の非晶質状態が安定化するためであると考えられる。特に、スイッチング層40の中で第2の元素のカルコゲン化物の占める割合が大きい領域では、第2の元素のカルコゲン化物の結晶化の抑制が支配要因となり、スイッチング素子の優れた特性が実現できると考えられる。
In the first embodiment, it is believed that the reason why low semi-selective leakage current and suppression of characteristic fluctuations of the switching element can be achieved is that the
また、第1の実施形態において、スイッチング素子の低い半選択リーク電流、及び、特性変動の抑制、が実現できるのは、スイッチング層40が第1の元素の酸化物と第2の元素のカルコゲン化物を含むことで、第2の元素の凝集が抑制できるためであると考えられる。すなわち、スイッチング層40の中で、第2の元素が、第2の元素単体よりも融点の高い第2の元素のカルコゲン化物として含まれることで、第2の元素の拡散が抑制され、第2の元素の凝集が抑制できると考えられる。特に、スイッチング層40の中で第1の元素の酸化物の占める割合が大きい領域では、第2の元素の凝集の抑制が支配要因となり、スイッチング素子の優れた特性が実現できると考えられる。
In the first embodiment, the low semi-selective leakage current of the switching element and the suppression of characteristic fluctuations are realized because the
スイッチング層40における、第1の元素の原子濃度に対する酸素(O)の原子濃度の比率は、0.5以上4.0以下であることが好ましく、0.5以上3.0以下であることがより好ましい。上記範囲を充足することで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
In the
スイッチング層40における、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、第1の元素と酸素(O)の原子濃度の和の比率は、例えば、3%以上97%以下であることが好ましく、5%以上80%未満であることがより好ましく、10%以上60%未満であることが更に好ましく、20%以上50%未満であることが最も好ましい。上記範囲を充足することで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
In the
また、スイッチング層40における、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、第1の元素と酸素(O)の原子濃度の和の比率が、例えば、5%以上80%未満であることが好ましい。加えて、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、第3の元素の原子濃度と第2の元素の原子濃度の差の絶対値の比率が、20%以下であることが好ましく、10%以下であることがより好ましく、5%以下であることが更に好ましい。上記範囲を充足することで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
In addition, in the
図8は、第1の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図である。図8は、スイッチング層40の化学組成と半選択リーク電流との関係を示す図である。図8は、第1の元素がジルコニウム(Zr)、第2の元素が亜鉛(Zn)、第3の元素がテルル(Te)である場合の測定データを三角ダイアグラム上に示している。三角ダイアグラムは、スイッチング層40の「ジルコニウム(Zr)と酸素(O)の和」、「亜鉛(Zn)」、「テルル(Te)」を頂点とする。
Figure 8 is an explanatory diagram of the action and effect of the memory device of the first embodiment. Figure 8 is a diagram showing the relationship between the chemical composition of the
測定点A、測定点B、測定点C、及び測定点Dは、測定された半選択リーク電流の量で区分けされている。測定点Aの半選択リーク電流が最も小さく、測定点Dの半選択リーク電流が最も大きい。 Measurement points A, B, C, and D are categorized by the amount of semi-selective leakage current measured. Measurement point A has the smallest semi-selective leakage current, and measurement point D has the largest semi-selective leakage current.
図8に示す結果より、半選択リーク電流を低減する観点から、スイッチング層40は、三角ダイアグラム上でハッチングされた領域の化学組成を有することが好ましい。すなわち、スイッチング層40における、テルル(Te)の原子濃度は亜鉛(Zn)の原子濃度より高く、かつ、ジルコニウム(Zr)、亜鉛(Zn)、テルル(Te)、及び酸素(O)の原子濃度の和に対するジルコニウム(Zr)と酸素(O)の原子濃度の和の比率が5%以上80%未満であり、かつ、ジルコニウム(Zr)、亜鉛(Zn)、テルル(Te)、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、テルル(Te)の原子濃度と亜鉛(Zn)の原子濃度の差の比率が5%以上20%以下であることが好ましい。
8, from the viewpoint of reducing the semi-selective leakage current, it is preferable that the
上記知見を一般化すると、スイッチング層40における、第3の元素の原子濃度は第2の元素の原子濃度より高く、かつ、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する第1の元素と酸素の原子濃度の和の比率が5%以上80%未満であり、かつ、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、第3の元素の原子濃度と第2の元素の原子濃度の差の比率が5%以上20%以下であることが好ましい。第1の元素、第2の元素、及び第3の元素は、それぞれ、ジルコニウム(Zr)、亜鉛(Zn)、テルル(Te)と近い性質を有する元素であるため、ジルコニウム(Zr)、亜鉛(Zn)、テルル(Te)関する上記知見を一般化できると考えられる。
Generalizing the above findings, it is preferable that the atomic concentration of the third element in the
スイッチング層40における、第3の元素の原子濃度は、第2の元素の原子濃度より高いことが好ましい。第3の元素の原子濃度が第2の元素の原子濃度より高いことで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
It is preferable that the atomic concentration of the third element in the
スイッチング素子の特性を更に向上させる観点から、スイッチング層40は、炭素(C)、ボロン(B)、窒素(N)、ゲルマニウム(Ge)、シリコン(Si)、及びアルミニウム(Al)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第4の元素を含むことが好ましい。スイッチング素子の特性を更に向上させる観点から、スイッチング層40に含まれる第4の元素の原子濃度は、5%以上20%以下であることが好ましい。
From the viewpoint of further improving the characteristics of the switching element, it is preferable that the
スイッチング素子の特性を更に向上させる観点から、スイッチング層40に含まれる第1の元素の酸化物の少なくとも一部は結晶質であることが好ましい。第1の元素の酸化物の少なくとも一部が結晶質となることで第1の元素の拡散が抑えられ、分離した第1の元素に起因するリーク電流の増大を抑制できると考えられる。
From the viewpoint of further improving the characteristics of the switching element, it is preferable that at least a portion of the oxide of the first element contained in the
(第1の変形例)
第1の実施形態の第1の変形例の記憶装置は、第1の導電層は、第1の部分と第2の部分を含み、第1の部分は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む点で、第1の実施形態の記憶装置と異なる。
(First Modification)
The memory device of the first variant of the first embodiment differs from the memory device of the first embodiment in that the first conductive layer includes a first portion and a second portion, and the first portion includes at least one element selected from hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti).
図9は、第1の実施形態の第1の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図9は、第1の実施形態の図2に対応する図である。 Figure 9 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device according to a first modification of the first embodiment. Figure 9 corresponds to Figure 2 of the first embodiment.
下部電極10は、第1の部分11と第2の部分12とを含む。第2の部分12は、第1の部分11とスイッチング層40との間に設けられる。
The
第1の部分11は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。第1の部分11は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。第1の部分11は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第2の部分12は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第1の実施形態の第1の変形例の記憶装置は、下部電極10の第1の部分11が、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことで、抵抗変化素子の特性の劣化が抑制される。また、第1の部分11がスイッチング層40に接しないことで、スイッチング層40からの酸素(O)の脱離が抑制され、スイッチング素子の特性の劣化が抑制される。
In the memory device of the first modification of the first embodiment, the
以上、第1の実施形態の第1の変形例によれば、第1の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。 As described above, according to the first modification of the first embodiment, a switching element having excellent characteristics such as low semi-selection leakage current and high reliability can be realized, similar to the first embodiment.
(第2の変形例)
第1の実施形態の第2の変形例の記憶装置は、第1の導電層は、第1の部分と第2の部分を含み、第1の部分は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含み、第2の導電層は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる一つの元素を含み、第3の導電層は、第3の部分と第4の部分を含み、第4の部分は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む点で、第1の実施形態の記憶装置と異なる。
(Second Modification)
A memory device of the second modification of the first embodiment differs from the memory device of the first embodiment in that the first conductive layer includes a first portion and a second portion, the first portion including at least one element selected from among hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti), the second conductive layer includes one element selected from among hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti), and the third conductive layer includes a third portion and a fourth portion, the fourth portion including at least one element selected from among hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti).
図10は、第1の実施形態の第2の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図10は、第1の実施形態の図2に対応する図である。 Figure 10 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device according to a second modification of the first embodiment. Figure 10 corresponds to Figure 2 of the first embodiment.
下部電極10は、第1の部分11と第2の部分12とを含む。第2の部分12は、第1の部分11とスイッチング層40との間に設けられる。
The
第1の部分11は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。第1の部分11は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。第1の部分11は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第2の部分12は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
上部電極20は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。上部電極20は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。上部電極20は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
中間電極30は、第3の部分31と第4の部分32とを含む。第3の部分31は、第4の部分32とスイッチング層40との間に設けられる。
The
第3の部分31は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第4の部分32は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。第4の部分32は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。第4の部分32は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第1の実施形態の第2の変形例の記憶装置は、下部電極10の第1の部分11と、上部電極20と、中間電極30の第4の部分32が、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことで、抵抗変化素子の特性の劣化が抑制される。また、下部電極10の第1の部分11と、上部電極20と、中間電極30の第4の部分32が、スイッチング層40に接しないことで、スイッチング層40からの酸素(O)の脱離が抑制され、スイッチング素子の特性の劣化が抑制される。
In the memory device of the second modification of the first embodiment, the
以上、第1の実施形態の第2の変形例によれば、第1の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。 As described above, according to the second modification of the first embodiment, a switching element having excellent characteristics such as low semi-selection leakage current and high reliability can be realized, similar to the first embodiment.
(第3の変形例)
第1の実施形態の第3の変形例の記憶装置は、第1の導電層は、第1の部分と第2の部分と第5の部分を含み、第1の部分は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含み、第2の導電層は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含み、第3の導電層は、第3の部分と第4の部分を含み、第4の部分は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む点で、第1の実施形態の記憶装置と異なる。
(Third Modification)
A memory device of the third modification of the first embodiment differs from the memory device of the first embodiment in that the first conductive layer includes a first portion, a second portion, and a fifth portion, the first portion including at least one element selected from among hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti), the second conductive layer includes at least one element selected from among hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti), and the third conductive layer includes a third portion and a fourth portion, and the fourth portion includes at least one element selected from among hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti).
図11は、第1の実施形態の第3の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図11は、第1の実施形態の図2に対応する図である。 Figure 11 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device according to a third modified example of the first embodiment. Figure 11 corresponds to Figure 2 of the first embodiment.
下部電極10は、第1の部分11と第2の部分12と第5の部分13を含む。第2の部分12は、第1の部分11とスイッチング層40との間に設けられる。第1の部分11は、第5の部分13と第2の部分12との間に設けられる。
The
第1の部分11は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。第1の部分11は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。第1の部分11は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第2の部分12及び第5の部分13は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
上部電極20は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。上部電極20は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。上部電極20は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
中間電極30は、第3の部分31と第4の部分32とを含む。第3の部分31は、第4の部分32とスイッチング層40との間に設けられる。
The
第3の部分31は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第4の部分32は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。第4の部分32は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。第4の部分32は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第1の実施形態の第3の変形例の記憶装置は、下部電極10の第1の部分11と、上部電極20と、中間電極30の第4の部分32が、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことで、抵抗変化素子の特性の劣化が抑制される。また、下部電極10の第1の部分11と、上部電極20と、中間電極30の第4の部分32が、スイッチング層40に接しないことで、スイッチング層40からの酸素(O)の脱離が抑制され、スイッチング素子の特性の劣化が抑制される。
In the memory device of the third modification of the first embodiment, the
以上、第1の実施形態の第3の変形例によれば、第1の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。 As described above, according to the third modification of the first embodiment, a switching element having excellent characteristics such as low semi-selection leakage current and high reliability can be realized, similar to the first embodiment.
第1の実施形態及び変形例によれば、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。よって、第1の実施形態及び変形例によれば、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置を実現できる。 According to the first embodiment and the modification, a switching element having excellent characteristics such as low semi-selection leakage current and high reliability can be realized. Therefore, according to the first embodiment and the modification, a memory device having a switching element with excellent characteristics can be realized.
(第2の実施形態)
第2の実施形態の記憶装置は、抵抗変化型メモリ(ReRAM)である点で、第1の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第1の実施形態と重複する内容については記述を一部省略する。
Second Embodiment
The storage device of the second embodiment differs from the storage device of the first embodiment in that the storage device of the second embodiment is a resistive random access memory (ReRAM).
図12は、第2の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図12は、図1のメモリセルアレイ100中の、例えば点線の円で示される一個のメモリセルMCの断面を示す。
Figure 12 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device of the second embodiment. Figure 12 shows a cross-section of one memory cell MC, for example, indicated by a dotted circle, in the
メモリセルMCは、図12に示すように、下部電極10、上部電極20、中間電極30、スイッチング層40、及び、抵抗変化層50を備える。抵抗変化層50は、高抵抗層50x及び低抵抗層50yを含む。
As shown in FIG. 12, the memory cell MC includes a
下部電極10は、第1の導電層の一例である。上部電極20は、第2の導電層の一例である。中間電極30は、第3の導電層の一例である。
The
下部電極10、スイッチング層40、及び中間電極30が、メモリセルMCのスイッチング素子を構成する。中間電極30、抵抗変化層50、及び上部電極20が、メモリセルMCの抵抗変化素子を構成する。
The
スイッチング層40の構成は、第1の実施形態の記憶装置と同様である。
The configuration of the
抵抗変化層50は、高抵抗層50xと低抵抗層50yを含む。
The
高抵抗層50xは、例えば、金属酸化物である。高抵抗層50xは、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、又は、酸化ニオブである。
The
低抵抗層50yは、例えば、金属酸化物である。低抵抗層50yは、例えば、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、又は、酸化タングステンである。
The
抵抗変化層50は、抵抗変化によりデータを記憶する機能を有する。抵抗変化層50は、例えば、所定の電圧の印加により電気抵抗が変化する特性を有する。
The
抵抗変化層50に電圧を印加することで、抵抗変化層50が高抵抗状態から低抵抗状態へ、或いは、低抵抗状態から高抵抗状態へと変化する。抵抗変化層50への電圧の印加により、高抵抗層50xと低抵抗層50yとの間で、酸素イオンが移動し、低抵抗層50yの中の酸素欠損量(酸素空孔量)が変化する。低抵抗層50yの中の酸素欠損量に伴い抵抗変化層50の導電性が変化する。低抵抗層50yは、いわゆる、空孔変調伝導性酸化物(Vacancy Modulated Conductive Oxide)である。
By applying a voltage to the
例えば、高抵抗状態をデータ“1”、低抵抗状態をデータ“0”と定義する。メモリセルMCは“0”と“1”の1ビットデータを記憶することが可能となる。 For example, a high resistance state is defined as data "1" and a low resistance state is defined as data "0." A memory cell MC can store one bit of data, "0" and "1."
以上、第2の実施形態の記憶装置によれば、第1の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。よって、第2の実施形態によれば、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置を実現できる。 As described above, according to the memory device of the second embodiment, a switching element having excellent characteristics such as low semi-selection leakage current and high reliability can be realized, as in the first embodiment. Therefore, according to the second embodiment, a memory device having a switching element with excellent characteristics can be realized.
(第3の実施形態)
第3の実施形態の記憶装置は、第1の導電層と、第2の導電層と、第1の導電層と第2の導電層との間に設けられたメモリ層と、を含むメモリセルを備える。そして、メモリ層は、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、及びマグネシウム(Mg)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物と、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物と、を含む。
Third Embodiment
The memory device of the third embodiment includes a memory cell including a first conductive layer, a second conductive layer, and a memory layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer, and the memory layer includes an oxide of a first element, which is at least one element selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), tantalum (Ta), lanthanum (La), cerium (Ce), titanium (Ti), hafnium (Hf), and magnesium (Mg), a compound of a second element, which is at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), and bismuth (Bi), and a third element, which is at least one element selected from the group consisting of tellurium (Te), sulfur (S), and selenium (Se).
また、第3の実施形態の記憶装置は、複数の第1の配線と、複数の第1の配線と交差する複数の第2の配線と、を更に備える。そして、複数の第1の配線の一つと、複数の第2の配線の一つが交差する領域に上記メモリセルが設けられる。 The memory device of the third embodiment further includes a plurality of first wirings and a plurality of second wirings that intersect with the plurality of first wirings. The memory cell is provided in a region where one of the plurality of first wirings intersects with one of the plurality of second wirings.
第3の実施形態の記憶装置は、メモリセルが第3の導電層と抵抗変化層を含まず、第1の実施形態及び第2の実施形態のスイッチング層と同様の構成を、メモリ層として含む点で、第1の実施形態及び第2の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第1の実施形態又は第2の実施形態と重複する内容については記述を一部省略する。 The memory device of the third embodiment differs from the memory devices of the first and second embodiments in that the memory cell does not include a third conductive layer and a resistance change layer, but includes a configuration similar to the switching layer of the first and second embodiments as a memory layer. Below, some of the description that overlaps with the first and second embodiments will be omitted.
図13は、第3の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図13は、図1のメモリセルアレイ100中の、例えば点線の円で示される一個のメモリセルMCの断面を示す。
Figure 13 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device of the third embodiment. Figure 13 shows a cross-section of one memory cell MC, for example, indicated by a dotted circle, in the
メモリセルMCは、図13に示すように、下部電極10、上部電極20、及び、メモリ層60を備える。
As shown in FIG. 13, the memory cell MC includes a
下部電極10は、第1の導電層の一例である。上部電極20は、第2の導電層の一例である。
The
下部電極10、メモリ層60、及び上部電極20が、メモリセルMCのメモリ素子を構成する。メモリセルMCのメモリ素子は、スイッチング機能を有し、かつ、情報を記憶する機能を有している。
The
メモリ層60は、第1の実施形態及び第2の実施形態のスイッチング層40と同様の構成を備える。すなわち、メモリ層60は、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、及びマグネシウム(Mg)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物と、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物と、を含む。
The
メモリ層60は、特定の閾値電圧で電流が急峻に立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する。また、メモリ層60は、所定の電圧の印加により閾値電圧が変化する特性を有する。メモリ層60は、所定の電圧の印加により電気抵抗が変化する特性を有する。第3の実施形態において、高抵抗状態とは、読み出し電圧におけるメモリ層60の抵抗が相対的に高い状態である。また、第3の実施形態において、低抵抗状態とは、読み出し電圧におけるメモリ層60の抵抗が相対的に低い状態である。
The
メモリ層60は、半選択セルに流れる半選択リーク電流の増加を抑制する機能を有する。また、メモリ層60は、抵抗変化によりデータを記憶する機能を有する。メモリ層60は、単層で、第1の実施形態及び第2の実施形態のスイッチング層40の機能と抵抗変化層50の機能を実現する。
The
図14は、第3の実施形態のメモリ素子の電流電圧特性の説明図である。横軸がメモリ素子に印加される電圧、縦軸がメモリ素子に流れる電流である。図14では、下部電極10の電位を基準として上部電極20に与えられる電圧を横軸に示す。図14は、第3の実施形態のメモリ層60の電流電圧特性である。図14は、第3の実施形態のメモリセルMCの電流電圧特性である。
Figure 14 is an explanatory diagram of the current-voltage characteristics of the memory element of the third embodiment. The horizontal axis is the voltage applied to the memory element, and the vertical axis is the current flowing through the memory element. In Figure 14, the horizontal axis shows the voltage applied to the
第3の実施形態のメモリ素子は、上部電極20に所定の正電圧を印加した場合と、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合で、異なる電流電圧特性を示す。図14において、上部電極20に所定の正電圧を印加した場合の電流電圧特性を実線で、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合の電流電圧特性を点線で示す。
The memory element of the third embodiment exhibits different current-voltage characteristics when a predetermined positive voltage is applied to the
上部電極20に所定の正電圧を印加した場合、正電圧側では第1の正電圧側閾値電圧Vtppで電流が急峻に立ち上がる。また、上部電極20に所定の正電圧を印加した場合、負電圧側では第1の負電圧側閾値電圧Vtpnで電流が急峻に立ち上がる。
When a predetermined positive voltage is applied to the
一方、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合、正電圧側では第2の正電圧側閾値電圧Vtnpで電流が急峻に立ち上がる。また、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合、負電圧側では第2の負電圧側閾値電圧Vtnnで電流が急峻に立ち上がる。
On the other hand, when a predetermined negative voltage is applied to the
第1の正電圧側閾値電圧Vtppは第2の正電圧側閾値電圧Vtnpより高い。また、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnは、第2の負電圧側閾値電圧Vtnnより低い。 The first positive voltage side threshold voltage Vtpp is higher than the second positive voltage side threshold voltage Vtnp. Also, the first negative voltage side threshold voltage Vtpn is lower than the second negative voltage side threshold voltage Vtnn.
第3の実施形態のメモリ素子は、正電圧側においても負電圧側においても、高抵抗状態と低抵抗状態を取り得る。上部電極20に所定の正電圧を印加した場合、正電圧側においても負電圧側においても高抵抗状態となる。一方、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合、正電圧側においても負電圧側においても低抵抗状態となる。以下、高抵抗状態をデータ“1”、低抵抗状態をデータ“0”と定義する。メモリセルMCは“0”と“1”の1ビットデータを記憶することが可能となる。
The memory element of the third embodiment can be in a high resistance state or a low resistance state on both the positive voltage side and the negative voltage side. When a predetermined positive voltage is applied to the
図15は、第3の実施形態の記憶装置のメモリ動作の第1の動作例の説明図である。図15には、メモリ動作を行う際の、正側書き込み電圧Vwp、正側書き込み電圧Vwpの半分の電圧(Vwp/2)、負側書き込み電圧Vwn、負側書き込み電圧Vwnの半分の電圧(Vwn/2)、負側読み出し電圧Vrnを示す。 Figure 15 is an explanatory diagram of a first operation example of the memory operation of the storage device of the third embodiment. Figure 15 shows the positive write voltage Vwp, half the positive write voltage Vwp (Vwp/2), the negative write voltage Vwn, half the negative write voltage Vwn (Vwn/2), and the negative read voltage Vrn when performing memory operation.
第1の動作例では、負電圧側の高抵抗状態と低抵抗状態をメモリ動作に利用する。第1の動作例では、負側読み出し電圧Vrnを読み出し電圧として用いる。 In the first operation example, the high resistance state and low resistance state on the negative voltage side are used for memory operation. In the first operation example, the negative read voltage Vrn is used as the read voltage.
選択セルにデータ“1”を書き込む際、上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加する。正側書き込み電圧Vwpは、第1の正電圧側閾値電圧Vtppよりも高い電圧である。上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加することで、負電圧側で高抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“1”が書き込まれる。
When writing data "1" to the selected cell, a positive write voltage Vwp is applied to the
選択セルにデータ“0”を書き込む際、上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加する。負側書き込み電圧Vwnは、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnよりも低い電圧である。上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加することで、負電圧側で低抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“0”が書き込まれる。
When writing data "0" to the selected cell, a negative write voltage Vwn is applied to the
第1の動作例では、選択セルにデータ“1”を書き込む際、選択セルに記憶されたデータがデータ“0”であると、正側書き込み電圧Vwpが第1の正電圧側閾値電圧Vtppより低くても、第2の正電圧側閾値電圧Vtnpよりも高ければ、電流が流れる。このため、データ“1”が書き込める可能性がある。したがって、例えば、正側書き込み電圧Vwpを第2の正電圧側閾値電圧Vtnpと第1の正電圧側閾値電圧Vtppとの間の電圧に設定することで、記憶装置の低消費電力化、又は高信頼性化が実現できる。 In the first operation example, when writing data "1" to a selected cell, if the data stored in the selected cell is data "0", even if the positive write voltage Vwp is lower than the first positive voltage threshold voltage Vtpp, current flows as long as it is higher than the second positive voltage threshold voltage Vtnp. Therefore, there is a possibility that data "1" can be written. Therefore, for example, by setting the positive write voltage Vwp to a voltage between the second positive voltage threshold voltage Vtnp and the first positive voltage threshold voltage Vtpp, it is possible to achieve low power consumption or high reliability of the memory device.
なお、選択セルに正側書き込み電圧Vwpを印加した場合、半選択セルには電圧Vwp/2が印加されることになる。また、選択セルに負側書き込み電圧Vwnを印加した場合、半選択セルには電圧Vwn/2が印加されることになる。電圧Vwp/2は第2の正電圧側閾値電圧Vtnpより低い。また、電圧Vwn/2は第2の負電圧側閾値電圧Vtnnより高い。 When a positive write voltage Vwp is applied to the selected cell, a voltage Vwp/2 is applied to the semi-selected cell. When a negative write voltage Vwn is applied to the selected cell, a voltage Vwn/2 is applied to the semi-selected cell. The voltage Vwp/2 is lower than the second positive voltage threshold voltage Vtnp. The voltage Vwn/2 is higher than the second negative voltage threshold voltage Vtnn.
したがって、半選択セルが低抵抗状態にある場合であっても、半選択セルに流れる半選択リーク電流を抑制できる。よって、メモリ素子はスイッチング素子としても機能する。 Therefore, even when the half-selected cell is in a low resistance state, the half-selection leakage current flowing through the half-selected cell can be suppressed. Therefore, the memory element also functions as a switching element.
選択セルのデータを読み出す場合、選択セルに負側読み出し電圧Vrnを印加する。データ“1”の場合とデータ“0”の場合での流れる電流の差によって生じる、電流変化又は電位変化を検知して、選択セルのデータが判定できる。 When reading data from a selected cell, a negative read voltage Vrn is applied to the selected cell. The data in the selected cell can be determined by detecting the change in current or potential caused by the difference in current flow between data "1" and data "0".
なお、第1の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”であってもデータ“0”であっても、負側読み出し電圧Vrnを印加することによるデータの破壊は生じない。言い換えれば、第1の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”であってもデータ“0”であっても、非破壊読み出しが可能となる。 In the case of the first operation example, whether the data of the selected cell is data "1" or data "0", data destruction does not occur by applying the negative read voltage Vrn. In other words, in the case of the first operation example, non-destructive readout is possible whether the data of the selected cell is data "1" or data "0".
図16は、第3の実施形態の記憶装置のメモリ動作の第2の動作例の説明図である。図16には、メモリ動作を行う際の、正側書き込み電圧Vwp、正側書き込み電圧Vwpの半分の電圧(Vwp/2)、負側書き込み電圧Vwn、負側書き込み電圧Vwnの半分の電圧(Vwn/2)、正側読み出し電圧Vrpを示す。 Figure 16 is an explanatory diagram of a second operation example of the memory operation of the storage device of the third embodiment. Figure 16 shows the positive write voltage Vwp, half the positive write voltage Vwp (Vwp/2), the negative write voltage Vwn, half the negative write voltage Vwn (Vwn/2), and the positive read voltage Vrp when performing memory operation.
第2の動作例では、正電圧側の高抵抗状態と低抵抗状態をメモリ動作に利用する。第2の動作例では、正側読み出し電圧Vrpを読み出し電圧として用いる。 In the second operation example, the high resistance state and low resistance state on the positive voltage side are used for memory operation. In the second operation example, the positive side read voltage Vrp is used as the read voltage.
選択セルにデータ“1”を書き込む際、上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加する。正側書き込み電圧Vwpは、第1の正電圧側閾値電圧Vtppよりも高い電圧である。上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加することで、正電圧側で高抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“1”が書き込まれる。
When writing data "1" to the selected cell, a positive write voltage Vwp is applied to the
選択セルにデータ“0”を書き込む際、上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加する。負側書き込み電圧Vwnは、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnよりも低い電圧である。上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加することで、正電圧側で低抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“0”が書き込まれる。
When writing data "0" to the selected cell, a negative write voltage Vwn is applied to the
第2の動作例では、選択セルにデータ“1”を書き込む際、選択セルに記憶されたデータがデータ“0”であると、正側書き込み電圧Vwpが第1の正電圧側閾値電圧Vtppより低くても、第2の正電圧側閾値電圧Vtnpよりも高ければ、電流が流れる。このため、データ“1”が書き込める可能性がある。したがって、例えば、正側書き込み電圧Vwpを第2の正電圧側閾値電圧Vtnpと第1の正電圧側閾値電圧Vtppとの間の電圧に設定することで、記憶装置の低消費電力化、又は高信頼性化が実現できる。 In the second operation example, when writing data "1" to a selected cell, if the data stored in the selected cell is data "0", even if the positive write voltage Vwp is lower than the first positive voltage threshold voltage Vtpp, current flows as long as it is higher than the second positive voltage threshold voltage Vtnp. Therefore, there is a possibility that data "1" can be written. Therefore, for example, by setting the positive write voltage Vwp to a voltage between the second positive voltage threshold voltage Vtnp and the first positive voltage threshold voltage Vtpp, it is possible to achieve low power consumption or high reliability of the memory device.
なお、選択セルに正側書き込み電圧Vwpを印加した場合、半選択セルには電圧Vwp/2が印加されることになる。また、選択セルに負側書き込み電圧Vwnを印加した場合、半選択セルには電圧Vwn/2が印加されることになる。電圧Vwp/2は第2の正電圧側閾値電圧Vtnpより低い。また、電圧Vwn/2は第2の負電圧側閾値電圧Vtnnより高い。 When a positive write voltage Vwp is applied to the selected cell, a voltage Vwp/2 is applied to the semi-selected cell. When a negative write voltage Vwn is applied to the selected cell, a voltage Vwn/2 is applied to the semi-selected cell. The voltage Vwp/2 is lower than the second positive voltage threshold voltage Vtnp. The voltage Vwn/2 is higher than the second negative voltage threshold voltage Vtnn.
したがって、半選択セルが低抵抗状態にある場合であっても、半選択セルに流れる半選択リーク電流を抑制できる。よって、メモリ素子はスイッチング素子としても機能する。 Therefore, even when the half-selected cell is in a low resistance state, the half-selection leakage current flowing through the half-selected cell can be suppressed. Therefore, the memory element also functions as a switching element.
選択セルのデータを読み出す場合、選択セルに正側読み出し電圧Vrpを印加する。データ“1”の場合とデータ“0”の場合での流れる電流の差によって生じる、電流変化又は電位変化を検知して、選択セルのデータが判定できる。 When reading data from a selected cell, a positive read voltage Vrp is applied to the selected cell. The data in the selected cell can be determined by detecting the change in current or potential caused by the difference in current flow between data "1" and data "0".
なお、第2の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”の場合、正側読み出し電圧Vrpを印加することによるデータの破壊は生じない。言い換えれば、第2の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”であれば、非破壊読み出しが可能となる。 In the case of the second operation example, if the data of the selected cell is data "1", the data is not destroyed by applying the positive read voltage Vrp. In other words, in the case of the second operation example, if the data of the selected cell is data "1", non-destructive reading is possible.
一方、選択セルのデータがデータ“0”の場合、第2の正電圧側閾値電圧Vtnpよりより高い正側読み出し電圧Vrpを印加することで、電流が流れ、選択セルのデータがデータ“1”に変化するおそれがある。言い換えれば、第2の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“0”の場合、破壊読み出しとなる可能性がある。したがって、選択セルのデータがデータ“0”の場合、選択セルのデータの読み出し後に、選択セルのデータを維持するためには、データ“0”の再書き込みが必要となる可能性がある。 On the other hand, if the data of the selected cell is data "0", applying a positive read voltage Vrp higher than the second positive voltage threshold voltage Vtnp will cause a current to flow, which may change the data of the selected cell to data "1". In other words, in the case of the second operation example, if the data of the selected cell is data "0", a destructive read may occur. Therefore, if the data of the selected cell is data "0", after the data of the selected cell is read, it may be necessary to rewrite data "0" in order to maintain the data of the selected cell.
(第1の変形例)
第3の実施形態の第1の変形例の記憶装置は、メモリ素子の電流電圧特性が異なる点で、第3の実施形態の記憶装置と異なる。
(First Modification)
The storage device of the first modified example of the third embodiment differs from the storage device of the third embodiment in that the current-voltage characteristics of the memory element are different.
図17は、第3の実施形態の第1の変形例のメモリ素子の電流電圧特性の説明図である。横軸がメモリ素子に印加される電圧、縦軸がメモリ素子に流れる電流である。図17では、下部電極10の電位を基準として上部電極20に与えられる電圧を横軸に示す。図17は、第3の実施形態の第1の変形例のメモリ層60の電流電圧特性である。図17は、第3の実施形態の第1の変形例のメモリセルMCの電流電圧特性である。
Figure 17 is an explanatory diagram of the current-voltage characteristics of a memory element of the first modified example of the third embodiment. The horizontal axis is the voltage applied to the memory element, and the vertical axis is the current flowing through the memory element. In Figure 17, the horizontal axis shows the voltage applied to the
第3の実施形態の第1の変形例のメモリ素子は、上部電極20に所定の正電圧を印加した場合と、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合で、異なる電流電圧特性を示す。図17において、上部電極20に所定の正電圧を印加した場合の電流電圧特性を実線で、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合の電流電圧特性を点線で示す。
The memory element of the first modified example of the third embodiment exhibits different current-voltage characteristics when a predetermined positive voltage is applied to the
上部電極20に所定の正電圧を印加した場合、正電圧側では第1の正電圧側閾値電圧Vtppで電流が急峻に立ち上がる。また、上部電極20に所定の正電圧を印加した場合、負電圧側では第1の負電圧側閾値電圧Vtpnで電流が急峻に立ち上がる。
When a predetermined positive voltage is applied to the
一方、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合、正電圧側では第2の正電圧側閾値電圧Vtnpで電流が急峻に立ち上がる。また、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合、負電圧側では第2の負電圧側閾値電圧Vtnnで電流が急峻に立ち上がる。
On the other hand, when a predetermined negative voltage is applied to the
第1の正電圧側閾値電圧Vtppは第2の正電圧側閾値電圧Vtnpより低い。また、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnは、第2の負電圧側閾値電圧Vtnnより高い。 The first positive voltage side threshold voltage Vtpp is lower than the second positive voltage side threshold voltage Vtnp. Also, the first negative voltage side threshold voltage Vtpn is higher than the second negative voltage side threshold voltage Vtnn.
第3の実施形態の第1の変形例のメモリ素子は、正電圧側においても負電圧側においても、高抵抗状態と低抵抗状態を取り得る。上部電極20に所定の正電圧を印加した場合、正電圧側においても負電圧側においても低抵抗状態となる。一方、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合、正電圧側においても負電圧側においても高抵抗状態となる。以下、高抵抗状態をデータ“1”、低抵抗状態をデータ“0”と定義する。メモリセルMCは“0”と“1”の1ビットデータを記憶することが可能となる。
The memory element of the first modified example of the third embodiment can be in a high resistance state or a low resistance state on both the positive voltage side and the negative voltage side. When a predetermined positive voltage is applied to the
図18は、第3の実施形態の第1の変形例の記憶装置のメモリ動作の第3の動作例の説明図である。図18には、メモリ動作を行う際の、正側書き込み電圧Vwp、正側書き込み電圧Vwpの半分の電圧(Vwp/2)、負側書き込み電圧Vwn、負側書き込み電圧Vwnの半分の電圧(Vwn/2)、負側読み出し電圧Vrnを示す。 Figure 18 is an explanatory diagram of a third operation example of the memory operation of the storage device of the first modified example of the third embodiment. Figure 18 shows the positive write voltage Vwp, half the positive write voltage Vwp (Vwp/2), the negative write voltage Vwn, half the negative write voltage Vwn (Vwn/2), and the negative read voltage Vrn when performing memory operation.
第3の動作例では、負電圧側の高抵抗状態と低抵抗状態をメモリ動作に利用する。第3の動作例では、負側読み出し電圧Vrnを読み出し電圧として用いる。 In the third operation example, the high resistance state and low resistance state on the negative voltage side are used for memory operation. In the third operation example, the negative read voltage Vrn is used as the read voltage.
選択セルにデータ“1”を書き込む際、上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加する。負側書き込み電圧Vwnは、第2の負電圧側閾値電圧Vtnnよりも低い電圧である。上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加することで、負電圧側で高抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“1”が書き込まれる。
When writing data "1" to the selected cell, a negative write voltage Vwn is applied to the
選択セルにデータ“0”を書き込む際、上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加する。正側書き込み電圧Vwpは、第2の正電圧側閾値電圧Vtnpよりも高い電圧である。上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加することで、負電圧側で低抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“0”が書き込まれる。
When writing data "0" to the selected cell, a positive write voltage Vwp is applied to the
第3の動作例では、選択セルにデータ“1”を書き込む際、選択セルに記憶されたデータがデータ“0”であると、負側書き込み電圧Vwnが第2の負電圧側閾値電圧Vtnnより高くても、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnよりも低ければ、電流が流れる。このため、データ“1”が書き込める可能性がある。したがって、例えば、負側書き込み電圧Vwnを第2の負電圧側閾値電圧Vtnnと第1の負電圧側閾値電圧Vtpnとの間の電圧に設定することで、記憶装置の低消費電力化、又は高信頼性化が実現できる。 In the third operation example, when writing data "1" to a selected cell, if the data stored in the selected cell is data "0", even if the negative write voltage Vwn is higher than the second negative voltage side threshold voltage Vtnn, current flows as long as it is lower than the first negative voltage side threshold voltage Vtpn. Therefore, there is a possibility that data "1" can be written. Therefore, for example, by setting the negative write voltage Vwn to a voltage between the second negative voltage side threshold voltage Vtnn and the first negative voltage side threshold voltage Vtpn, it is possible to achieve low power consumption or high reliability of the memory device.
なお、選択セルに正側書き込み電圧Vwpを印加した場合、半選択セルには電圧Vwp/2が印加されることになる。また、選択セルに負側書き込み電圧Vwnを印加した場合、半選択セルには電圧Vwn/2が印加されることになる。電圧Vwp/2は第1の正電圧側閾値電圧Vtppより低い。また、電圧Vwn/2は第1の負電圧側閾値電圧Vtpnより高い。 When a positive write voltage Vwp is applied to the selected cell, a voltage Vwp/2 is applied to the semi-selected cell. When a negative write voltage Vwn is applied to the selected cell, a voltage Vwn/2 is applied to the semi-selected cell. The voltage Vwp/2 is lower than the first positive voltage threshold voltage Vtpp. The voltage Vwn/2 is higher than the first negative voltage threshold voltage Vtpn.
したがって、半選択セルが低抵抗状態にある場合であっても、半選択セルに流れる半選択リーク電流を抑制できる。よって、メモリ素子はスイッチング素子としても機能する。 Therefore, even when the half-selected cell is in a low resistance state, the half-selection leakage current flowing through the half-selected cell can be suppressed. Therefore, the memory element also functions as a switching element.
選択セルのデータを読み出す場合、選択セルに負側読み出し電圧Vrnを印加する。データ“1”の場合とデータ“0”の場合での流れる電流の差によって生じる、電流変化又は電位変化を検知して、選択セルのデータが判定できる。 When reading data from a selected cell, a negative read voltage Vrn is applied to the selected cell. The data in the selected cell can be determined by detecting the change in current or potential caused by the difference in current flow between data "1" and data "0".
なお、第3の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”の場合、負側読み出し電圧Vrnを印加することによるデータの破壊は生じない。言い換えれば、第3の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”であれば、非破壊読み出しが可能となる。 In the case of the third operation example, if the data of the selected cell is data "1", the data is not destroyed by applying the negative read voltage Vrn. In other words, in the case of the third operation example, if the data of the selected cell is data "1", non-destructive reading is possible.
一方、選択セルのデータがデータ“0”の場合、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnよりより低い負側読み出し電圧Vrnを印加することで、電流が流れ、選択セルのデータがデータ“1”に変化するおそれがある。言い換えれば、第3の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“0”の場合、破壊読み出しとなる可能性がある。したがって、選択セルのデータがデータ“0”の場合、選択セルのデータの読み出し後に、選択セルのデータを維持するためには、データ“0”の再書き込みが必要となる可能性がある。 On the other hand, if the data of the selected cell is data "0", applying a negative read voltage Vrn lower than the first negative voltage threshold voltage Vtpn may cause a current to flow and the data of the selected cell to change to data "1". In other words, in the case of the third operation example, if the data of the selected cell is data "0", a destructive read may occur. Therefore, if the data of the selected cell is data "0", after the data of the selected cell is read, it may be necessary to rewrite data "0" in order to maintain the data of the selected cell.
図19は、第3の実施形態の第1の変形例の記憶装置のメモリ動作の第4の動作例の説明図である。図19には、メモリ動作を行う際の、正側書き込み電圧Vwp、正側書き込み電圧Vwpの半分の電圧(Vwp/2)、負側書き込み電圧Vwn、負側書き込み電圧Vwnの半分の電圧(Vwn/2)、正側読み出し電圧Vrpを示す。 Figure 19 is an explanatory diagram of a fourth operation example of the memory operation of the storage device of the first modified example of the third embodiment. Figure 19 shows the positive write voltage Vwp, half the positive write voltage Vwp (Vwp/2), the negative write voltage Vwn, half the negative write voltage Vwn (Vwn/2), and the positive read voltage Vrp when performing memory operation.
第4の動作例では、正電圧側の高抵抗状態と低抵抗状態をメモリ動作に利用する。第4の動作例では、正側読み出し電圧Vrpを読み出し電圧として用いる。 In the fourth operation example, the high resistance state and low resistance state on the positive voltage side are used for memory operation. In the fourth operation example, the positive side read voltage Vrp is used as the read voltage.
選択セルにデータ“1”を書き込む際、上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加する。負側書き込み電圧Vwnは、第2の負電圧側閾値電圧Vtnnよりも低い電圧である。上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加することで、正電圧側で高抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“1”が書き込まれる。
When writing data "1" to the selected cell, a negative write voltage Vwn is applied to the
選択セルにデータ“0”を書き込む際、上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加する。正側書き込み電圧Vwpは、第2の正電圧側閾値電圧Vtnpよりも高い電圧である。上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加することで、正電圧側で低抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“0”が書き込まれる。
When writing data "0" to the selected cell, a positive write voltage Vwp is applied to the
第4の動作例では、選択セルにデータ“1”を書き込む際、選択セルに記憶されたデータがデータ“0”あると、負側書き込み電圧Vwnが第2の負電圧側閾値電圧Vtnnより高くても、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnよりも低ければ、電流が流れる。このため、データ“1”が書き込める可能性がある。したがって、例えば、負側書き込み電圧Vwnを第2の負電圧側閾値電圧Vtnnと第1の負電圧側閾値電圧Vtpnとの間の電圧に設定することで、記憶装置の低消費電力化、又は高信頼性化が実現できる。 In the fourth operation example, when writing data "1" to a selected cell, if the data stored in the selected cell is data "0", even if the negative write voltage Vwn is higher than the second negative voltage side threshold voltage Vtnn, current flows as long as it is lower than the first negative voltage side threshold voltage Vtpn. Therefore, there is a possibility that data "1" can be written. Therefore, for example, by setting the negative write voltage Vwn to a voltage between the second negative voltage side threshold voltage Vtnn and the first negative voltage side threshold voltage Vtpn, it is possible to achieve low power consumption or high reliability of the memory device.
なお、選択セルに正側書き込み電圧Vwpを印加した場合、半選択セルには電圧Vwp/2が印加されることになる。また、選択セルに負側書き込み電圧Vwnを印加した場合、半選択セルには電圧Vwn/2が印加されることになる。電圧Vwp/2は第1の正電圧側閾値電圧Vtppより低い。また、電圧Vwn/2は第1の負電圧側閾値電圧Vtpnより高い。 When a positive write voltage Vwp is applied to the selected cell, a voltage Vwp/2 is applied to the semi-selected cell. When a negative write voltage Vwn is applied to the selected cell, a voltage Vwn/2 is applied to the semi-selected cell. The voltage Vwp/2 is lower than the first positive voltage threshold voltage Vtpp. The voltage Vwn/2 is higher than the first negative voltage threshold voltage Vtpn.
したがって、半選択セルが低抵抗状態にある場合であっても、半選択セルに流れる半選択リーク電流を抑制できる。よって、メモリ素子はスイッチング素子としても機能する。 Therefore, even when the half-selected cell is in a low resistance state, the half-selection leakage current flowing through the half-selected cell can be suppressed. Therefore, the memory element also functions as a switching element.
選択セルのデータを読み出す場合、選択セルに正側読み出し電圧Vrpを印加する。データ“1”の場合とデータ“0”の場合での流れる電流の差によって生じる、電流変化又は電位変化を検知して、選択セルのデータが判定できる。 When reading data from a selected cell, a positive read voltage Vrp is applied to the selected cell. The data in the selected cell can be determined by detecting the change in current or potential caused by the difference in current flow between data "1" and data "0".
なお、第4の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”であってもデータ“0”であっても、正側読み出し電圧Vrpを印加することによるデータの破壊は生じない。言い換えれば、第4の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”であってもデータ“0”であっても、非破壊読み出しが可能となる。 In the case of the fourth operation example, whether the data of the selected cell is data "1" or data "0", data destruction does not occur by applying the positive read voltage Vrp. In other words, in the case of the fourth operation example, whether the data of the selected cell is data "1" or data "0", non-destructive readout is possible.
(第2の変形例)
第3の実施形態の第2の変形例の記憶装置は、メモリ素子の電流電圧特性が異なる点で、第3の実施形態の記憶装置と異なる。
(Second Modification)
The storage device according to the second modification of the third embodiment differs from the storage device according to the third embodiment in that the current-voltage characteristics of the memory elements are different.
図20は、第3の実施形態の第2の変形例のメモリ素子の電流電圧特性の説明図である。横軸がメモリ素子に印加される電圧、縦軸がメモリ素子に流れる電流である。図20では、下部電極10の電位を基準として上部電極20に与えられる電圧を横軸に示す。図20は、第3の実施形態の第2の変形例のメモリ層60の電流電圧特性である。図20は、第3の実施形態の第2の変形例のメモリセルMCの電流電圧特性である。
Figure 20 is an explanatory diagram of the current-voltage characteristics of a memory element of the second modified example of the third embodiment. The horizontal axis is the voltage applied to the memory element, and the vertical axis is the current flowing through the memory element. In Figure 20, the horizontal axis shows the voltage applied to the
第3の実施形態の第2の変形例のメモリ素子は、上部電極20に所定の正電圧を印加した場合と、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合で、異なる電流電圧特性を示す。図20において、上部電極20に所定の正電圧を印加した場合の電流電圧特性を実線で、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合の電流電圧特性を点線で示す。
The memory element of the second modified example of the third embodiment exhibits different current-voltage characteristics when a predetermined positive voltage is applied to the
上部電極20に所定の正電圧を印加した場合、正電圧側では第1の正電圧側閾値電圧Vtppで電流が急峻に立ち上がる。また、上部電極20に所定の正電圧を印加した場合、負電圧側では第1の負電圧側閾値電圧Vtpnで電流が急峻に立ち上がる。
When a predetermined positive voltage is applied to the
一方、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合、正電圧側では第2の正電圧側閾値電圧Vtnpで電流が急峻に立ち上がる。また、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合、負電圧側では第2の負電圧側閾値電圧Vtnnで電流が急峻に立ち上がる。
On the other hand, when a predetermined negative voltage is applied to the
第1の正電圧側閾値電圧Vtppは第2の正電圧側閾値電圧Vtnpより低い。また、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnは、第2の負電圧側閾値電圧Vtnnより低い。 The first positive voltage side threshold voltage Vtpp is lower than the second positive voltage side threshold voltage Vtnp. Also, the first negative voltage side threshold voltage Vtpn is lower than the second negative voltage side threshold voltage Vtnn.
第3の実施形態の第2の変形例のメモリ素子は、正電圧側においても負電圧側においても、高抵抗状態と低抵抗状態を取り得る。上部電極20に所定の正電圧を印加した場合、正電圧側においては低抵抗状態となり、負電圧側においては高抵抗状態となる。一方、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合、正電圧側においては高抵抗状態となり、負電圧側においては低抵抗状態とる。以下、高抵抗状態をデータ“1”、低抵抗状態をデータ“0”と定義する。メモリセルMCは“0”と“1”の1ビットデータを記憶することが可能となる。
The memory element of the second modified example of the third embodiment can take a high resistance state and a low resistance state on both the positive voltage side and the negative voltage side. When a predetermined positive voltage is applied to the
図21は、第3の実施形態の第2の変形例の記憶装置のメモリ動作の第5の動作例の説明図である。図21には、メモリ動作を行う際の、正側書き込み電圧Vwp、正側書き込み電圧Vwpの半分の電圧(Vwp/2)、負側書き込み電圧Vwn、負側書き込み電圧Vwnの半分の電圧(Vwn/2)、負側読み出し電圧Vrnを示す。 Figure 21 is an explanatory diagram of a fifth operation example of the memory operation of the storage device of the second modified example of the third embodiment. Figure 21 shows the positive write voltage Vwp, half the positive write voltage Vwp (Vwp/2), the negative write voltage Vwn, half the negative write voltage Vwn (Vwn/2), and the negative read voltage Vrn when performing memory operation.
第5の動作例では、負電圧側の高抵抗状態と低抵抗状態をメモリ動作に利用する。第5の動作例では、負側読み出し電圧Vrnを読み出し電圧として用いる。 In the fifth operation example, the high resistance state and low resistance state on the negative voltage side are used for memory operation. In the fifth operation example, the negative read voltage Vrn is used as the read voltage.
選択セルにデータ“1”を書き込む際、上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加する。正側書き込み電圧Vwpは、第2の正電圧側閾値電圧Vtnpよりも高い電圧である。上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加することで、負電圧側で高抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“1”が書き込まれる。
When writing data "1" to the selected cell, a positive write voltage Vwp is applied to the
選択セルにデータ“0”を書き込む際、上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加する。負側書き込み電圧Vwnは、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnよりも低い電圧である。上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加することで、負電圧側で低抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“0”が書き込まれる。
When writing data "0" to the selected cell, a negative write voltage Vwn is applied to the
なお、選択セルに正側書き込み電圧Vwpを印加した場合、半選択セルには電圧Vwp/2が印加されることになる。また、選択セルに負側書き込み電圧Vwnを印加した場合、半選択セルには電圧Vwn/2が印加されることになる。電圧Vwp/2は第1の正電圧側閾値電圧Vtppより低い。また、電圧Vwn/2は第2の負電圧側閾値電圧Vtnnより高い。 When a positive write voltage Vwp is applied to the selected cell, a voltage Vwp/2 is applied to the semi-selected cell. When a negative write voltage Vwn is applied to the selected cell, a voltage Vwn/2 is applied to the semi-selected cell. The voltage Vwp/2 is lower than the first positive voltage threshold voltage Vtpp. The voltage Vwn/2 is higher than the second negative voltage threshold voltage Vtnn.
したがって、半選択セルが低抵抗状態にある場合であっても、半選択セルに流れる半選択リーク電流を抑制できる。よって、メモリ素子はスイッチング素子としても機能する。 Therefore, even when the half-selected cell is in a low resistance state, the half-selection leakage current flowing through the half-selected cell can be suppressed. Therefore, the memory element also functions as a switching element.
選択セルのデータを読み出す場合、選択セルに負側読み出し電圧Vrnを印加する。データ“1”の場合とデータ“0”の場合での流れる電流の差によって生じる、電流変化又は電位変化を検知して、選択セルのデータが判定できる。 When reading data from a selected cell, a negative read voltage Vrn is applied to the selected cell. The data in the selected cell can be determined by detecting the change in current or potential caused by the difference in current flow between data "1" and data "0".
なお、第5の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”であってもデータ“0”であっても、負側読み出し電圧Vrnを印加することによるデータの破壊は生じない。言い換えれば、第5の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”であってもデータ“0”であっても、非破壊読み出しが可能となる。 In the case of the fifth operation example, whether the data of the selected cell is data "1" or data "0", data destruction does not occur by applying the negative read voltage Vrn. In other words, in the case of the fifth operation example, whether the data of the selected cell is data "1" or data "0", non-destructive readout is possible.
図22は、第3の実施形態の第2の変形例の記憶装置のメモリ動作の第6の動作例の説明図である。図22には、メモリ動作を行う際の、正側書き込み電圧Vwp、正側書き込み電圧Vwpの半分の電圧(Vwp/2)、負側書き込み電圧Vwn、負側書き込み電圧Vwnの半分の電圧(Vwn/2)、正側読み出し電圧Vrpを示す。 Figure 22 is an explanatory diagram of a sixth operation example of the memory operation of the storage device of the second modified example of the third embodiment. Figure 22 shows the positive write voltage Vwp, half the voltage of the positive write voltage Vwp (Vwp/2), the negative write voltage Vwn, half the voltage of the negative write voltage Vwn (Vwn/2), and the positive read voltage Vrp when performing memory operation.
第6の動作例では、正電圧側の高抵抗状態と低抵抗状態をメモリ動作に利用する。第6の動作例では、正側読み出し電圧Vrpを読み出し電圧として用いる。 In the sixth operation example, the high resistance state and low resistance state on the positive voltage side are used for memory operation. In the sixth operation example, the positive side read voltage Vrp is used as the read voltage.
選択セルにデータ“1”を書き込む際、上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加する。負側書き込み電圧Vwnは、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnよりも低い電圧である。上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加することで、正電圧側で高抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“1”が書き込まれる。
When writing data "1" to the selected cell, a negative write voltage Vwn is applied to the
選択セルにデータ“0”を書き込む際、上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加する。正側書き込み電圧Vwpは、第2の正電圧側閾値電圧Vtnpよりも高い電圧である。上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加することで、正電圧側で低抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“0”が書き込まれる。
When writing data "0" to the selected cell, a positive write voltage Vwp is applied to the
なお、選択セルに正側書き込み電圧Vwpを印加した場合、半選択セルには電圧Vwp/2が印加されることになる。また、選択セルに負側書き込み電圧Vwnを印加した場合、半選択セルには電圧Vwn/2が印加されることになる。電圧Vwp/2は第1の正電圧側閾値電圧Vtppより低い。また、電圧Vwn/2は第2の負電圧側閾値電圧Vtnnより高い。 When a positive write voltage Vwp is applied to the selected cell, a voltage Vwp/2 is applied to the semi-selected cell. When a negative write voltage Vwn is applied to the selected cell, a voltage Vwn/2 is applied to the semi-selected cell. The voltage Vwp/2 is lower than the first positive voltage threshold voltage Vtpp. The voltage Vwn/2 is higher than the second negative voltage threshold voltage Vtnn.
したがって、半選択セルが低抵抗状態にある場合であっても、半選択セルに流れる半選択リーク電流を抑制できる。よって、メモリ素子はスイッチング素子としても機能する。 Therefore, even when the half-selected cell is in a low resistance state, the half-selection leakage current flowing through the half-selected cell can be suppressed. Therefore, the memory element also functions as a switching element.
選択セルのデータを読み出す場合、選択セルに正側読み出し電圧Vrpを印加する。データ“1”の場合とデータ“0”の場合での流れる電流の差によって生じる、電流変化又は電位変化を検知して、選択セルのデータが判定できる。 When reading data from a selected cell, a positive read voltage Vrp is applied to the selected cell. The data in the selected cell can be determined by detecting the change in current or potential caused by the difference in current flow between data "1" and data "0".
なお、第6の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”であってもデータ“0”であっても、正側読み出し電圧Vrpを印加することによるデータの破壊は生じない。言い換えれば、第6の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”であってもデータ“0”であっても、非破壊読み出しが可能となる。 In the case of the sixth operation example, whether the data of the selected cell is data "1" or data "0", the data is not destroyed by applying the positive read voltage Vrp. In other words, in the case of the sixth operation example, whether the data of the selected cell is data "1" or data "0", non-destructive readout is possible.
(第3の変形例)
第3の実施形態の第3の変形例の記憶装置は、メモリ素子の電流電圧特性が異なる点で、第3の実施形態の記憶装置と異なる。
(Third Modification)
The storage device according to the third modification of the third embodiment differs from the storage device according to the third embodiment in that the current-voltage characteristics of the memory elements are different.
図23は、第3の実施形態の第3の変形例のメモリ素子の電流電圧特性の説明図である。横軸がメモリ素子に印加される電圧、縦軸がメモリ素子に流れる電流である。図23では、下部電極10の電位を基準として上部電極20に与えられる電圧を横軸に示す。図23は、第3の実施形態の第3の変形例のメモリ層60の電流電圧特性である。図23は、第3の実施形態の第3の変形例のメモリセルMCの電流電圧特性である。
Figure 23 is an explanatory diagram of the current-voltage characteristics of a memory element of the third modified example of the third embodiment. The horizontal axis is the voltage applied to the memory element, and the vertical axis is the current flowing through the memory element. In Figure 23, the horizontal axis shows the voltage applied to the
第3の実施形態の第3の変形例のメモリ素子は、上部電極20に所定の正電圧を印加した場合と、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合で、異なる電流電圧特性を示す。図23において、上部電極20に所定の正電圧を印加した場合の電流電圧特性を実線で、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合の電流電圧特性を点線で示す。
The memory element of the third modified example of the third embodiment exhibits different current-voltage characteristics when a predetermined positive voltage is applied to the
上部電極20に所定の正電圧を印加した場合、正電圧側では第1の正電圧側閾値電圧Vtppで電流が急峻に立ち上がる。また、上部電極20に所定の正電圧を印加した場合、負電圧側では第1の負電圧側閾値電圧Vtpnで電流が急峻に立ち上がる。
When a predetermined positive voltage is applied to the
一方、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合、正電圧側では第2の正電圧側閾値電圧Vtnpで電流が急峻に立ち上がる。また、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合、負電圧側では第2の負電圧側閾値電圧Vtnnで電流が急峻に立ち上がる。
On the other hand, when a predetermined negative voltage is applied to the
第1の正電圧側閾値電圧Vtppは第2の正電圧側閾値電圧Vtnpより高い。また、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnは、第2の負電圧側閾値電圧Vtnnより高い。 The first positive voltage side threshold voltage Vtpp is higher than the second positive voltage side threshold voltage Vtnp. Also, the first negative voltage side threshold voltage Vtpn is higher than the second negative voltage side threshold voltage Vtnn.
第3の実施形態の第3の変形例のメモリ素子は、正電圧側においても負電圧側においても、高抵抗状態と低抵抗状態を取り得る。上部電極20に所定の正電圧を印加した場合、正電圧側においては高抵抗状態となり、負電圧側においては低抵抗状態となる。一方、上部電極20に所定の負電圧を印加した場合、正電圧側においては低抵抗状態となり、負電圧側においては高抵抗状態とる。以下、高抵抗状態をデータ“1”、低抵抗状態をデータ“0”と定義する。メモリセルMCは“0”と“1”の1ビットデータを記憶することが可能となる。
The memory element of the third modified example of the third embodiment can take a high resistance state and a low resistance state on both the positive voltage side and the negative voltage side. When a predetermined positive voltage is applied to the
図24は、第3の実施形態の第3の変形例の記憶装置のメモリ動作の第7の動作例の説明図である。図24には、メモリ動作を行う際の、正側書き込み電圧Vwp、正側書き込み電圧Vwpの半分の電圧(Vwp/2)、負側書き込み電圧Vwn、負側書き込み電圧Vwnの半分の電圧(Vwn/2)、負側読み出し電圧Vrnを示す。 Figure 24 is an explanatory diagram of a seventh operation example of the memory operation of the storage device of the third modified example of the third embodiment. Figure 24 shows the positive write voltage Vwp, half the positive write voltage Vwp (Vwp/2), the negative write voltage Vwn, half the negative write voltage Vwn (Vwn/2), and the negative read voltage Vrn when performing memory operation.
第7の動作例では、負電圧側の高抵抗状態と低抵抗状態をメモリ動作に利用する。第7の動作例では、負側読み出し電圧Vrnを読み出し電圧として用いる。 In the seventh operation example, the high resistance state and low resistance state on the negative voltage side are used for memory operation. In the seventh operation example, the negative read voltage Vrn is used as the read voltage.
選択セルにデータ“1”を書き込む際、上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加する。負側書き込み電圧Vwnは、第2の負電圧側閾値電圧Vtnnよりも低い電圧である。上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加することで、負電圧側で高抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“1”が書き込まれる。
When writing data "1" to the selected cell, a negative write voltage Vwn is applied to the
選択セルにデータ“0”を書き込む際、上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加する。正側書き込み電圧Vwpは、第1の正電圧側閾値電圧Vtppよりも高い電圧である。上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加することで、負電圧側で低抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“0”が書き込まれる。
When writing data "0" to the selected cell, a positive write voltage Vwp is applied to the
第7の動作例では、選択セルにデータ“1”を書き込む際、選択セルに記憶されたデータがデータ“0”であると、負側書き込み電圧Vwnが第2の負電圧側閾値電圧Vtnnより高くても、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnよりも低ければ、電流が流れる。このため、データ“1”が書き込める可能性がある。したがって、例えば、負側書き込み電圧Vwnを第2の負電圧側閾値電圧Vtnnと第1の負電圧側閾値電圧Vtpnとの間の電圧に設定することで、記憶装置の低消費電力化、又は高信頼性化が実現できる。 In the seventh operation example, when writing data "1" to a selected cell, if the data stored in the selected cell is data "0", even if the negative write voltage Vwn is higher than the second negative voltage side threshold voltage Vtnn, a current flows as long as it is lower than the first negative voltage side threshold voltage Vtpn. Therefore, there is a possibility that data "1" can be written. Therefore, for example, by setting the negative write voltage Vwn to a voltage between the second negative voltage side threshold voltage Vtnn and the first negative voltage side threshold voltage Vtpn, it is possible to realize low power consumption or high reliability of the memory device.
また、第7の動作例では、選択セルにデータ“0”を書き込む際、選択セルに記憶されたデータがデータ“1”であると、正側書き込み電圧Vwpが第1の正電圧側閾値電圧Vtppより低くても、第2の正電圧側閾値電圧Vtnpよりも高ければ、電流が流れる。このため、データ“0”が書き込める可能性がある。したがって、例えば、正側書き込み電圧Vwpを第2の正電圧側閾値電圧Vtnpと第1の正電圧側閾値電圧Vtppとの間の電圧に設定することで、記憶装置の低消費電力化、又は高信頼性化が実現できる。 In addition, in the seventh operation example, when writing data "0" to a selected cell, if the data stored in the selected cell is data "1", even if the positive write voltage Vwp is lower than the first positive voltage threshold voltage Vtpp, current flows as long as it is higher than the second positive voltage threshold voltage Vtnp. Therefore, there is a possibility that data "0" can be written. Therefore, for example, by setting the positive write voltage Vwp to a voltage between the second positive voltage threshold voltage Vtnp and the first positive voltage threshold voltage Vtpp, it is possible to realize low power consumption or high reliability of the memory device.
なお、選択セルに正側書き込み電圧Vwpを印加した場合、半選択セルには電圧Vwp/2が印加されることになる。また、選択セルに負側書き込み電圧Vwnを印加した場合、半選択セルには電圧Vwn/2が印加されることになる。電圧Vwp/2は第2の正電圧側閾値電圧Vtnpより低い。また、電圧Vwn/2は第1の負電圧側閾値電圧Vtpnより高い。 When a positive write voltage Vwp is applied to the selected cell, a voltage Vwp/2 is applied to the semi-selected cell. When a negative write voltage Vwn is applied to the selected cell, a voltage Vwn/2 is applied to the semi-selected cell. The voltage Vwp/2 is lower than the second positive voltage threshold voltage Vtnp. The voltage Vwn/2 is higher than the first negative voltage threshold voltage Vtpn.
したがって、半選択セルが低抵抗状態にある場合であっても、半選択セルに流れる半選択リーク電流を抑制できる。よって、メモリ素子はスイッチング素子としても機能する。 Therefore, even when the half-selected cell is in a low resistance state, the half-selection leakage current flowing through the half-selected cell can be suppressed. Therefore, the memory element also functions as a switching element.
選択セルのデータを読み出す場合、選択セルに負側読み出し電圧Vrnを印加する。データ“1”の場合とデータ“0”の場合での流れる電流の差によって生じる、電流変化又は電位変化を検知して、選択セルのデータが判定できる。 When reading data from a selected cell, a negative read voltage Vrn is applied to the selected cell. The data in the selected cell can be determined by detecting the change in current or potential caused by the difference in current flow between data "1" and data "0".
なお、第7の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”の場合、負側読み出し電圧Vrnを印加することによるデータの破壊は生じない。言い換えれば、第7の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”であれば、非破壊読み出しが可能となる。 In the seventh operation example, if the data of the selected cell is data "1", applying the negative read voltage Vrn does not destroy the data. In other words, in the seventh operation example, if the data of the selected cell is data "1", non-destructive reading is possible.
一方、選択セルのデータがデータ“0”の場合、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnより低い負側読み出し電圧Vrnを印加することで、電流が流れ、選択セルのデータがデータ“1”に変化するおそれがある。言い換えれば、第7の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“0”の場合、破壊読み出しとなる可能性がある。したがって、選択セルのデータがデータ“0”の場合、選択セルのデータの読み出し後に、選択セルのデータを維持するためには、データ“0”の再書き込みが必要となる可能性がある。 On the other hand, if the data of the selected cell is data "0", applying a negative read voltage Vrn lower than the first negative voltage threshold voltage Vtpn may cause a current to flow and the data of the selected cell to change to data "1". In other words, in the seventh operation example, if the data of the selected cell is data "0", a destructive read may occur. Therefore, if the data of the selected cell is data "0", after the data of the selected cell is read, it may be necessary to rewrite data "0" in order to maintain the data of the selected cell.
図25は、第3の実施形態の第3の変形例の記憶装置のメモリ動作の第8の動作例の説明図である。図25には、メモリ動作を行う際の、正側書き込み電圧Vwp、正側書き込み電圧Vwpの半分の電圧(Vwp/2)、負側書き込み電圧Vwn、負側書き込み電圧Vwnの半分の電圧(Vwn/2)、正側読み出し電圧Vrpを示す。 Figure 25 is an explanatory diagram of an eighth operation example of the memory operation of the storage device of the third modified example of the third embodiment. Figure 25 shows the positive write voltage Vwp, half the positive write voltage Vwp (Vwp/2), the negative write voltage Vwn, half the negative write voltage Vwn (Vwn/2), and the positive read voltage Vrp when performing memory operation.
第8の動作例では、正電圧側の高抵抗状態と低抵抗状態をメモリ動作に利用する。第8の動作例では、正側読み出し電圧Vrpを読み出し電圧として用いる。 In the eighth operation example, the high resistance state and low resistance state on the positive voltage side are used for memory operation. In the eighth operation example, the positive side read voltage Vrp is used as the read voltage.
選択セルにデータ“1”を書き込む際、上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加する。正側書き込み電圧Vwpは、第1の正電圧側閾値電圧Vtppよりも高い電圧である。上部電極20に正側書き込み電圧Vwpを印加することで、正電圧側で高抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“1”が書き込まれる。
When writing data "1" to the selected cell, a positive write voltage Vwp is applied to the
選択セルにデータ“0”を書き込む際、上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加する。負側書き込み電圧Vwnは、第2の負電圧側閾値電圧Vtnnよりも低い電圧である。上部電極20に負側書き込み電圧Vwnを印加することで、正電圧側で低抵抗状態が実現し、選択セルにデータ“0”が書き込まれる。
When writing data "0" to the selected cell, a negative write voltage Vwn is applied to the
第8の動作例では、選択セルにデータ“1”を書き込む際、選択セルに記憶されたデータがデータ“0”であると、正側書き込み電圧Vwpが第1の正電圧側閾値電圧Vtppより低くても、第2の正電圧側閾値電圧Vtnpよりも高ければ、電流が流れる。このため、データ“1”が書き込める可能性がある。したがって、例えば、正側書き込み電圧Vwpを第2の正電圧側閾値電圧Vtnpと第1の正電圧側閾値電圧Vtppとの間の電圧に設定することで、記憶装置の低消費電力化、又は高信頼性化が実現できる。 In the eighth operation example, when writing data "1" to a selected cell, if the data stored in the selected cell is data "0", even if the positive write voltage Vwp is lower than the first positive voltage threshold voltage Vtpp, current flows as long as it is higher than the second positive voltage threshold voltage Vtnp. Therefore, there is a possibility that data "1" can be written. Therefore, for example, by setting the positive write voltage Vwp to a voltage between the second positive voltage threshold voltage Vtnp and the first positive voltage threshold voltage Vtpp, it is possible to achieve low power consumption or high reliability of the memory device.
また、第8の動作例では、選択セルにデータ“0”を書き込む際、選択セルに記憶されたデータがデータ“1”であると、負側書き込み電圧Vwnが第2の負電圧側閾値電圧Vtnnより高くても、第1の負電圧側閾値電圧Vtpnよりも低くければ、電流が流れる。このため、データ“0”が書き込める可能性がある。したがって、例えば、負側書き込み電圧Vwnを第2の負電圧側閾値電圧Vtnnと第1の負電圧側閾値電圧Vtpnとの間の電圧に設定することで、記憶装置の低消費電力化、又は高信頼性化が実現できる。 In the eighth operation example, when writing data "0" to a selected cell, if the data stored in the selected cell is data "1", even if the negative write voltage Vwn is higher than the second negative voltage side threshold voltage Vtnn, a current flows as long as it is lower than the first negative voltage side threshold voltage Vtpn. Therefore, there is a possibility that data "0" can be written. Therefore, for example, by setting the negative write voltage Vwn to a voltage between the second negative voltage side threshold voltage Vtnn and the first negative voltage side threshold voltage Vtpn, it is possible to achieve low power consumption or high reliability of the memory device.
なお、選択セルに正側書き込み電圧Vwpを印加した場合、半選択セルには電圧Vwp/2が印加されることになる。また、選択セルに負側書き込み電圧Vwnを印加した場合、半選択セルには電圧Vwn/2が印加されることになる。電圧Vwp/2は第2の正電圧側閾値電圧Vtnpより低い。また、電圧Vwn/2は第1の負電圧側閾値電圧Vtpnより高い。 When a positive write voltage Vwp is applied to the selected cell, a voltage Vwp/2 is applied to the semi-selected cell. When a negative write voltage Vwn is applied to the selected cell, a voltage Vwn/2 is applied to the semi-selected cell. The voltage Vwp/2 is lower than the second positive voltage threshold voltage Vtnp. The voltage Vwn/2 is higher than the first negative voltage threshold voltage Vtpn.
したがって、半選択セルが低抵抗状態にある場合であっても、半選択セルに流れる半選択リーク電流を抑制できる。よって、メモリ素子はスイッチング素子としても機能する。 Therefore, even when the half-selected cell is in a low resistance state, the half-selection leakage current flowing through the half-selected cell can be suppressed. Therefore, the memory element also functions as a switching element.
選択セルのデータを読み出す場合、選択セルに正側読み出し電圧Vrpを印加する。データ“1”の場合とデータ“0”の場合での流れる電流の差によって生じる、電流変化又は電位変化を検知して、選択セルのデータが判定できる。 When reading data from a selected cell, a positive read voltage Vrp is applied to the selected cell. The data in the selected cell can be determined by detecting the change in current or potential caused by the difference in current flow between data "1" and data "0".
なお、第8の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”の場合、正側読み出し電圧Vrpを印加することによるデータの破壊は生じない。言い換えれば、第8の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“1”であれば、非破壊読み出しが可能となる。 In the eighth operation example, if the data of the selected cell is data "1", applying the positive read voltage Vrp does not destroy the data. In other words, in the eighth operation example, if the data of the selected cell is data "1", non-destructive reading is possible.
一方、選択セルのデータがデータ“0”の場合、第2の正電圧側閾値電圧Vtnpより高い正側読み出し電圧Vrpを印加することで、電流が流れ、選択セルのデータがデータ“1”に変化するおそれがある。言い換えれば、第8の動作例の場合、選択セルのデータがデータ“0”の場合、破壊読み出しとなる可能性がある。したがって、選択セルのデータがデータ“0”の場合、選択セルのデータの読み出し後に、選択セルのデータを維持するためには、データ“0”の再書き込みが必要となる可能性がある。 On the other hand, if the data of the selected cell is data "0", applying a positive read voltage Vrp higher than the second positive voltage threshold voltage Vtnp may cause a current to flow and the data of the selected cell to change to data "1". In other words, in the case of the eighth operation example, if the data of the selected cell is data "0", a destructive read may occur. Therefore, if the data of the selected cell is data "0", after the data of the selected cell is read, it may be necessary to rewrite data "0" in order to maintain the data of the selected cell.
第3の実施形態及びその変形例の記憶装置では、メモリセルMCのメモリ素子は、スイッチング機能を有し、かつ、情報を記憶する機能を有している。メモリ層60は、単層で、第1の実施形態及び第2の実施形態のスイッチング層40の機能と抵抗変化層50の機能を実現する。第3の実施形態のメモリ層60が、単層で、スイッチング機能とメモリ機能を備えることで、メモリセルMCの構造を極めて単純な構造にできる。
In the memory device of the third embodiment and its modified example, the memory element of the memory cell MC has a switching function and a function of storing information. The
また、第3の実施形態及びその変形例の記憶装置のメモリ層60は、第1の実施形態及び第2の実施形態のスイッチング層40と同様の構成を備える。したがって、第3の実施形態及びその変形例によれば、第1の実施形態及び第2の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れたスイッチング特性を有する記憶装置を実現できる。
The
なお、第3の実施形態及びその変形例で示したメモリ素子の複数の電流電圧特性は、例えば、適切な化学組成を有するメモリ層60を採用することで実現できる。
The multiple current-voltage characteristics of the memory element shown in the third embodiment and its modified example can be realized, for example, by employing a
(第4の実施形態)
第4の実施形態の記憶装置は、第1の導電層と、第2の導電層と、第1の導電層と第2の導電層との間に設けられた第3の導電層と、第1の導電層と第3の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、第3の導電層と第2の導電層との間に設けられたスイッチング層と、を含むメモリセルを備え、スイッチング層は、アルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物と、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素との化合物と、を含む。第4の実施形態の記憶装置は、スイッチング層がアルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物を含む点で、第1の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第1の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する場合がある。
Fourth Embodiment
The memory device of the fourth embodiment includes a memory cell including a first conductive layer, a second conductive layer, a third conductive layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer, a resistance change layer provided between the first conductive layer and the third conductive layer, and a switching layer provided between the third conductive layer and the second conductive layer, and the switching layer includes a compound of an oxide of aluminum (Al) or an oxynitride of aluminum (Al), a first element which is at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), and bismuth (Bi), and a second element which is at least one element selected from the group consisting of tellurium (Te), sulfur (S), and selenium (Se). The memory device of the fourth embodiment is different from the memory device of the first embodiment in that the switching layer includes an oxide of aluminum (Al) or an oxynitride of aluminum (Al). Hereinafter, some of the contents that overlap with the first embodiment may be omitted.
また、第4の実施形態の記憶装置は、複数の第1の配線と、複数の第1の配線と交差する複数の第2の配線と、を更に備える。そして、複数の第1の配線の一つと、複数の第2の配線の一つが交差する領域に上記メモリセルが設けられる。 The memory device of the fourth embodiment further includes a plurality of first wirings and a plurality of second wirings that intersect with the plurality of first wirings. The memory cell is provided in a region where one of the plurality of first wirings intersects with one of the plurality of second wirings.
図26は、第4の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図26は、図1のメモリセルアレイ100と同様のメモリセルアレイの中の、一個のメモリセルMCの断面を示す。
Figure 26 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device of the fourth embodiment. Figure 26 shows a cross-section of one memory cell MC in a memory cell array similar to the
メモリセルMCは、図26に示すように、下部電極10、上部電極20、中間電極30、スイッチング層140、及び、抵抗変化層50を備える。抵抗変化層50は、固定層51、トンネル層52、及び自由層53を含む。
As shown in FIG. 26, the memory cell MC includes a
下部電極10は、第1の導電層の一例である。上部電極20は、第2の導電層の一例である。中間電極30は、第3の導電層の一例である。
The
下部電極10、スイッチング層140、及び中間電極30が、メモリセルMCのスイッチング素子を構成する。中間電極30、抵抗変化層50、及び上部電極20が、メモリセルMCの抵抗変化素子を構成する。
The
下部電極10はワード線102に接続される。下部電極10は、例えば金属である。下部電極10は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。下部電極10はワード線102の一部であっても構わない。
The
上部電極20はビット線103に接続される。上部電極20は、例えば金属である。上部電極20は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。上部電極20はビット線103の一部であっても構わない。
The
中間電極30は、下部電極10と上部電極20との間に設けられる。中間電極30は、例えば金属である。中間電極30は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
スイッチング層140は、下部電極10と中間電極30との間に設けられる。スイッチング層140の下部電極10から上部電極20に向かう第1の方向の厚さは、例えば、5nm以上50nm以下である。スイッチング層140の下部電極10から上部電極20に向かう第1の方向の厚さは、例えば、5nm以上20nm以下であることがより好ましい。
The
スイッチング層140は、半選択セルに流れる半選択リーク電流の増加を抑制する機能を有する。スイッチング層140は、特定の閾値電圧で電流が急峻に立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する。
The
スイッチング層140は、アルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物と、カルコゲン化物を含む。カルコゲン化物(chalcogenide)は、カルコゲン元素であるテルル(Te)、硫黄(S)、又はセレン(Se)と、他の元素とが結合した化合物である。
The
スイッチング層140は、アルミニウム(Al)の酸化物、又は、アルミニウム(Al)の酸窒化物を含む。スイッチング層140は、アルミニウム(Al)の酸化物とアルミニウム(Al)の酸窒化物の両方を含んでも構わない。スイッチング層140は、例えば、酸化アルミニウム又は酸窒化アルミニウムを含む。
The
スイッチング層140がアルミニウム(Al)の酸化物、又は、アルミニウム(Al)の酸窒化物を含むか否かは、例えば、X線光電子分光法(XPS)又は電子エネルギー損失分光法(EELS)を用いて判定することが可能である。
Whether the
スイッチング層140における、アルミニウム(Al)の原子濃度は、例えば、1%より大きく40%より小さい。
The atomic concentration of aluminum (Al) in the
スイッチング層140は、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、スカンジウム(Sc)、バナジウム(V)、及びニオブ(Nb)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素の酸化物又は第3の元素の酸窒化物を含んでも構わない。
The
スイッチング層140における、アルミニウム(Al)の原子濃度に対する酸素(O)の原子濃度の比率は、例えば、0.5以上5.0以下である。スイッチング層140における、アルミニウム(Al)原子濃度に対する酸素(O)の原子濃度の比率は、より好ましくは0.5以上3.0以下である。
In the
スイッチング層140は、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素との化合物であるカルコゲン化物を含む。スイッチング層140は、第1の元素のカルコゲン化物を含む。スイッチング層140は、例えば、テルル化亜鉛、テルル化スズ、テルル化ガリウム、テルル化インジウム、テルル化ビスマス、硫化亜鉛、硫化スズ、硫化ガリウム、硫化インジウム、硫化ビスマス、セレン化亜鉛、セレン化スズ、セレン化ガリウム、セレン化インジウム、及びセレン化ビスマスからなる群から選ばれる少なくとも一つのカルコゲン化物を含む。第2の元素としてより好ましくはテルル(Te)であり、スイッチング層140は、より好ましくは、テルル化亜鉛、テルル化スズ、テルル化ガリウム、テルル化インジウム、及びテルル化ビスマスからなる群から選ばれる少なくとも一つのカルコゲン化物を含む。テルル化物は、硫化物、セレン化物と比べて、バンドギャップが小さいため、書き込み電圧を相対的に小さくすることができ、書き込みを繰り返した場合の、半選択リーク電流の変動や、オン電流の変動などの特性変動を抑制することができるという利点を持つ。
The
スイッチング層140が第1の元素のカルコゲン化物を含むか否かは、例えば、X線吸収微細構造解析(XAFS)、ラマン分光法(Raman)、又は電子エネルギー損失分光法(EELS)を用いて判定することが可能である。
Whether the
上記酸化物又は上記酸窒化物、及び、上記カルコゲン化物は、例えば、スイッチング層140の主成分である。上記酸化物又は上記酸窒化物、及び上記カルコゲン化物がスイッチング層140の主成分であるとは、スイッチング層140に含まれる物質の中で、上記酸化物又は上記酸窒化物、上記カルコゲン化物よりもモル分率の高い物質が存在しないことを意味する。
The oxide, oxynitride, and chalcogenide are, for example, the main components of the
スイッチング層140における、アルミニウム(Al)、第1の元素、第2の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和は、例えば、90%以上である。
The sum of the atomic concentrations of aluminum (Al), the first element, the second element, and oxygen (O) in the
スイッチング層140は、例えば、上記酸化物又は上記酸窒化物、及び上記カルコゲン化物の混合物を含む。上記酸化物又は上記酸窒化物、及び上記カルコゲン化物は、例えば、混合した状態で、スイッチング層140の中に存在する。
The
スイッチング層140における、アルミニウム(Al)、第1の元素、第2の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、アルミニウム(Al)と酸素(O)の原子濃度の和の比率は、例えば、3%以上97%以下である。例えば、第1の元素が亜鉛(Zn)、第2の元素がテルル(Te)の場合、スイッチング層140における、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、テルル(Te)、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、アルミニウム(Al)と酸素(O)の原子濃度の和の比率((Al+O)/(Al+Zn+Te+O))は、例えば、3%以上97%以下である。
In the
スイッチング層140における、アルミニウム(Al)、第1の元素、第2の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、アルミニウム(Al)と酸素(O)の原子濃度の和の比率は、例えば、5%以上80%未満である。また、アルミニウム(Al)、第1の元素、第2の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、第2の元素の原子濃度と第1の元素の原子濃度の差の絶対値の比率は、例えば、20%以下である。
In the
アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、テルル(Te)、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、アルミニウム(Al)と酸素(O)の原子濃度の和の比率(Al+O)/(Al+Zn+Te+O)が、例えば、5%以上80%未満である。そして、例えば、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、テルル(Te)、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、テルル(Te)の原子濃度と亜鉛(Zn)の原子濃度の差の絶対値の比率(|Te-Zn|)/(Al+Zn+Te+O)が、例えば、20%以下である。 The ratio (Al+O)/(Al+Zn+Te+O) of the sum of the atomic concentrations of aluminum (Al) and oxygen (O) to the sum of the atomic concentrations of aluminum (Al), zinc (Zn), tellurium (Te), and oxygen (O) is, for example, 5% or more and less than 80%. And, for example, the ratio (|Te-Zn|)/(Al+Zn+Te+O) of the absolute value of the difference between the atomic concentration of tellurium (Te) and the atomic concentration of zinc (Zn) to the sum of the atomic concentrations of aluminum (Al), zinc (Zn), tellurium (Te), and oxygen (O) is, for example, 20% or less.
スイッチング層140における、第2の元素の原子濃度は、例えば、第1の元素の原子濃度より高い。例えば、第1の元素が亜鉛(Zn)、第2の元素がテルル(Te)の場合、スイッチング層140における、テルル(Te)の原子濃度は、例えば、亜鉛(Zn)の原子濃度よりも高い。
The atomic concentration of the second element in the
スイッチング層140には、例えば、第1の元素と第2の元素が結合して形成されるカルコゲン化物と、カルコゲン化物を形成しない余剰の第2の元素が存在する。例えば、第1の元素が亜鉛(Zn)、第2の元素がテルル(Te)の場合、スイッチング層140に、テルル化亜鉛と余剰のテルル(Te)が共存する。
In the
例えば、スイッチング層140に含まれるアルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物の少なくとも一部は結晶質である。スイッチング層140に含まれるアルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物の少なくとも一部が結晶質であるか否かは、例えば、電子線回折法を用いて判定することが可能である。なお、スイッチング層140に含まれるカルコゲン化物の一部が結晶質であっても構わない。
For example, at least a portion of the aluminum (Al) oxide or aluminum (Al) oxynitride contained in the
スイッチング層140は、例えば、炭素(C)、ボロン(B)、窒素(N)、ゲルマニウム(Ge)、及びシリコン(Si)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第4の元素を含む。スイッチング層140に含まれる第4の元素の原子濃度は、例えば、5%以上20%以下である。
The
スイッチング層140は、例えば、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)、及びバナジウム(V)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第5の元素を含む。スイッチング層140に含まれる第5の元素の原子濃度は、例えば、1%以上10%以下である。
The
スイッチング層140は、例えば、スパッタリング法により形成することが可能である。アルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物と、第1の元素のカルコゲン化物を含むスイッチング層140は、例えば、アルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物から成るターゲットと、第1の元素のカルコゲン化物から成るターゲットを用いたコ・スパッタリング法(co-sputtering法)により形成することが可能である。また、スイッチング層140は、例えば、アルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物と、第1の元素のカルコゲン化物との混合物からなるターゲットを用いたスパッタリング法により形成することが可能である。
The
抵抗変化層50は、中間電極30と上部電極20との間に設けられる。抵抗変化層50は、固定層51、トンネル層52、及び自由層53を有する。抵抗変化層50は、固定層51、トンネル層52、及び自由層53で構成される磁気トンネル接合を含む。
The
抵抗変化層50は、抵抗変化によりデータを記憶する機能を有する。抵抗変化層50は、例えば、所定の電圧の印加により電気抵抗が変化する特性を有する。
The
次に、第4の実施形態の記憶装置の作用及び効果について説明する。 Next, the operation and effects of the storage device of the fourth embodiment will be described.
第4の実施形態のスイッチング素子のスイッチング層140は、アルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物と、第1の元素のカルコゲン化物を含む。スイッチング層140がアルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物と、第1の元素のカルコゲン化物を含むことにより、第1の実施形態のスイッチング素子と同様、低い半選択リーク電流、及び、特性変動の抑制、が実現できる。なお、第4の実施形態のスイッチング素子における第1の元素、第2の元素、及び第3の元素は、それぞれ、第1の実施形態のスイッチング素子における第2の元素、第3の元素、及び第1の元素に対応する。
The
第4の実施形態のスイッチング素子は、スイッチング層140がアルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物を含むことにより、第1の実施形態のスイッチング素子と比較して、スイッチング素子の面積を縮小した際の、半選択リーク電流の減少率が大きくなる。したがって、第4の実施形態のスイッチング素子は、第1の実施形態のスイッチング素子と比較して、更に半選択リーク電流が低減できる。
The switching element of the fourth embodiment has a
スイッチング層140における、アルミニウム(Al)の原子濃度は1%より大きく40%より小さいことが好ましい。上記範囲を充足することで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
The atomic concentration of aluminum (Al) in the
スイッチング層140における、アルミニウム(Al)の原子濃度に対する酸素(O)の原子濃度の比率は、0.5以上5.0以下であることが好ましく、0.5以上3.0以下であることがより好ましい。上記範囲を充足することで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
In the
スイッチング層140における、アルミニウム(Al)、第1の元素、第2の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、アルミニウム(Al)と酸素(O)の原子濃度の和の比率は、例えば、3%以上97%以下であることが好ましく、5%以上80%未満であることがより好ましく、10%以上60%未満であることが更に好ましく、20%以上50%未満であることが最も好ましい。上記範囲を充足することで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
In the
また、スイッチング層140における、アルミニウム(Al)、第1の元素、第2の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、アルミニウム(Al)と酸素(O)の原子濃度の和の比率が、例えば、5%以上80%未満であることが好ましい。加えて、アルミニウム(Al)、第1の元素、第2の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、第2の元素の原子濃度と第1の元素の原子濃度の差の絶対値の比率が、20%以下であることが好ましく、10%以下であることがより好ましく、5%以下であることが更に好ましい。上記範囲を充足することで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
In addition, the ratio of the sum of the atomic concentrations of aluminum (Al) and oxygen (O) to the sum of the atomic concentrations of aluminum (Al), the first element, the second element, and oxygen (O) in the
スイッチング層140における、テルル(Te)の原子濃度は亜鉛(Zn)の原子濃度より高く、かつ、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、テルル(Te)、及び酸素(O)の原子濃度の和に対するアルミニウム(Al)と酸素(O)の原子濃度の和の比率が5%以上80%未満であり、かつ、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、テルル(Te)、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、テルル(Te)の原子濃度と亜鉛(Zn)の原子濃度の差の比率が5%以上20%以下であることが好ましい。
In the
スイッチング層140における、第2の元素の原子濃度は、第1の元素の原子濃度より高いことが好ましい。第2の元素の原子濃度が第1の元素の原子濃度より高いことで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
It is preferable that the atomic concentration of the second element in the
スイッチング素子の特性を更に向上させる観点から、スイッチング層140は、炭素(C)、ボロン(B)、窒素(N)、ゲルマニウム(Ge)、及びシリコン(Si)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第4の元素を含むことが好ましい。スイッチング素子の特性を更に向上させる観点から、スイッチング層140に含まれる第4の元素の原子濃度は、5%以上20%以下であることが好ましい。
From the viewpoint of further improving the characteristics of the switching element, it is preferable that the
スイッチング素子の特性を更に向上させる観点から、スイッチング層140は、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)、及びバナジウム(V)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第5の元素を含むことが好ましい。スイッチング素子の特性を更に向上させる観点から、スイッチング層140に含まれる第5の元素の原子濃度は、1%以上10%以下であることが好ましい。スイッチング層140が第5の元素を含むことで、第1の元素のカルコゲン化物の凝集が抑制されると考えられる。
From the viewpoint of further improving the characteristics of the switching element, it is preferable that the
特に、スイッチング層140がアルミニウム(Al)の酸窒化物を含む場合、スイッチング層140は、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)、及びバナジウム(V)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第5の元素を含むことで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
In particular, when the
スイッチング素子の特性を更に向上させる観点から、スイッチング層140に含まれるアルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物の少なくとも一部は結晶質であることが好ましい。アルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物の少なくとも一部が結晶質となることでアルミニウム(Al)の拡散が抑えられ、分離したアルミニウム(Al)に起因するリーク電流の増大を抑制できると考えられる。
From the viewpoint of further improving the characteristics of the switching element, it is preferable that at least a portion of the aluminum (Al) oxide or aluminum (Al) oxynitride contained in the
(第1の変形例)
第4の実施形態の第1の変形例の記憶装置は、第1の導電層は、第1の部分と第2の部分を含み、第1の部分は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む点で、第4の実施形態の記憶装置と異なる。
(First Modification)
The memory device of the first variant of the fourth embodiment differs from the memory device of the fourth embodiment in that the first conductive layer includes a first portion and a second portion, and the first portion includes at least one element selected from hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti).
図27は、第4の実施形態の第1の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図27は、第4の実施形態の図26に対応する図である。 Figure 27 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device according to a first modified example of the fourth embodiment. Figure 27 corresponds to Figure 26 of the fourth embodiment.
下部電極10は、第1の部分11と第2の部分12とを含む。第2の部分12は、第1の部分11とスイッチング層140との間に設けられる。
The
第1の部分11は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。第1の部分11は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。第1の部分11は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第2の部分12は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第4の実施形態の第1の変形例の記憶装置は、下部電極10の第1の部分11が、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことで、抵抗変化素子の特性の劣化が抑制される。また、第1の部分11がスイッチング層140に接しないことで、スイッチング層140からの酸素(O)の脱離が抑制され、スイッチング素子の特性の劣化が抑制される。
In the memory device of the first modification of the fourth embodiment, the
以上、第4の実施形態の第1の変形例によれば、第4の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。 As described above, according to the first modification of the fourth embodiment, a switching element having excellent characteristics such as low semi-selection leakage current and high reliability can be realized, similar to the fourth embodiment.
(第2の変形例)
第4の実施形態の第2の変形例の記憶装置は、第1の導電層は、第1の部分と第2の部分を含み、第1の部分は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含み、第2の導電層は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる一つの元素を含み、第3の導電層は、第3の部分と第4の部分を含み、第4の部分は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む点で、第4の実施形態の記憶装置と異なる。
(Second Modification)
A memory device of the second variant of the fourth embodiment differs from the memory device of the fourth embodiment in that the first conductive layer includes a first portion and a second portion, the first portion including at least one element selected from among hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti), the second conductive layer includes at least one element selected from among hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti), and the third conductive layer includes a third portion and a fourth portion, the fourth portion including at least one element selected from among hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti).
図28は、第4の実施形態の第2の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図28は、第4の実施形態の図26に対応する図である。 Figure 28 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device according to a second modification of the fourth embodiment. Figure 28 corresponds to Figure 26 of the fourth embodiment.
下部電極10は、第1の部分11と第2の部分12とを含む。第2の部分12は、第1の部分11とスイッチング層140との間に設けられる。
The
第1の部分11は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。第1の部分11は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。第1の部分11は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第2の部分12は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
上部電極20は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。上部電極20は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。上部電極20は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
中間電極30は、第3の部分31と第4の部分32とを含む。第3の部分31は、第4の部分32とスイッチング層140との間に設けられる。
The
第3の部分31は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第4の部分32は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。第4の部分32は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。第4の部分32は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第4の実施形態の第2の変形例の記憶装置は、下部電極10の第1の部分11と、上部電極20と、中間電極30の第4の部分32が、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことで、抵抗変化素子の特性の劣化が抑制される。また、下部電極10の第1の部分11と、上部電極20と、中間電極30の第4の部分32が、スイッチング層140に接しないことで、スイッチング層140からの酸素(O)の脱離が抑制され、スイッチング素子の特性の劣化が抑制される。
In the memory device of the second modification of the fourth embodiment, the
以上、第4の実施形態の第2の変形例によれば、第4の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。 As described above, according to the second modification of the fourth embodiment, a switching element having excellent characteristics such as low semi-selection leakage current and high reliability can be realized, similar to the fourth embodiment.
(第3の変形例)
第4の実施形態の第3の変形例の記憶装置は、第1の導電層は、第1の部分と第2の部分と第5の部分を含み、第1の部分は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含み、第2の導電層は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含み、第3の導電層は、第3の部分と第4の部分を含み、第4の部分は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む点で、第4の実施形態の記憶装置と異なる。
(Third Modification)
A memory device of the third modification of the fourth embodiment differs from the memory device of the fourth embodiment in that the first conductive layer includes a first portion, a second portion, and a fifth portion, the first portion including at least one element selected from among hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti), the second conductive layer includes at least one element selected from among hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti), and the third conductive layer includes a third portion and a fourth portion, the fourth portion including at least one element selected from among hafnium (Hf), aluminum (Al), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and titanium (Ti).
図29は、第4の実施形態の第3の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図29は、第4の実施形態の図26に対応する図である。 Figure 29 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device according to a third modification of the fourth embodiment. Figure 29 corresponds to Figure 26 of the fourth embodiment.
下部電極10は、第1の部分11と第2の部分12と第5の部分13を含む。第2の部分12は、第1の部分11とスイッチング層140との間に設けられる。第1の部分11は、第5の部分13と第2の部分12との間に設けられる。
The
第1の部分11は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。第1の部分11は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。第1の部分11は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第2の部分12及び第5の部分13は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
上部電極20は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。上部電極20は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。上部電極20は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
中間電極30は、第3の部分31と第4の部分32とを含む。第3の部分31は、第4の部分32とスイッチング層140との間に設けられる。
The
第3の部分31は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第4の部分32は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。第4の部分32は、例えば、上記元素のホウ化物を含む。第4の部分32は、例えば、ハフニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化アルミニウムマグネシウム、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、及びホウ化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
第4の実施形態の第3の変形例の記憶装置は、下部電極10の第1の部分11と、上部電極20と、中間電極30の第4の部分32が、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)の中から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことで、抵抗変化素子の特性の劣化が抑制される。また、下部電極10の第1の部分11と、上部電極20と、中間電極30の第4の部分32が、スイッチング層140に接しないことで、スイッチング層140からの酸素(O)の脱離が抑制され、スイッチング素子の特性の劣化が抑制される。
In the memory device of the third modified example of the fourth embodiment, the
以上、第4の実施形態の第3の変形例によれば、第4の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。 As described above, according to the third modification of the fourth embodiment, a switching element having excellent characteristics such as low semi-selection leakage current and high reliability can be realized, similar to the fourth embodiment.
第4の実施形態及び変形例によれば、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。よって、第4の実施形態及び変形例によれば、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置を実現できる。 According to the fourth embodiment and the modification, a switching element having excellent characteristics such as a low semi-selection leakage current and high reliability can be realized. Therefore, according to the fourth embodiment and the modification, a memory device having a switching element with excellent characteristics can be realized.
(第5の実施形態)
第5の実施形態の記憶装置は、抵抗変化型メモリ(ReRAM)である点で、第4の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第4の実施形態と重複する内容については記述を一部省略する。
Fifth Embodiment
The storage device of the fifth embodiment differs from the storage device of the fourth embodiment in that the storage device of the fifth embodiment is a resistive random access memory (ReRAM).
図30は、第5の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図30は、図1のメモリセルアレイ100と同様のメモリセルアレイの中の、一個のメモリセルMCの断面を示す。
Figure 30 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device of the fifth embodiment. Figure 30 shows a cross-section of one memory cell MC in a memory cell array similar to the
メモリセルMCは、図30に示すように、下部電極10、上部電極20、中間電極30、スイッチング層140、及び、抵抗変化層50を備える。抵抗変化層50は、高抵抗層50x及び低抵抗層50yを含む。
As shown in FIG. 30, the memory cell MC includes a
下部電極10は、第1の導電層の一例である。上部電極20は、第2の導電層の一例である。中間電極30は、第3の導電層の一例である。
The
下部電極10、スイッチング層140、及び中間電極30が、メモリセルMCのスイッチング素子を構成する。中間電極30、抵抗変化層50、及び上部電極20が、メモリセルMCの抵抗変化素子を構成する。
The
スイッチング層140の構成は、第4の実施形態の記憶装置と同様である。
The configuration of the
抵抗変化層50は、高抵抗層50xと低抵抗層50yを含む。
The
高抵抗層50xは、例えば、金属酸化物である。高抵抗層50xは、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、又は、酸化ニオブである。
The
低抵抗層50yは、例えば、金属酸化物である。低抵抗層50yは、例えば、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、又は、酸化タングステンである。
The
抵抗変化層50は、抵抗変化によりデータを記憶する機能を有する。抵抗変化層50は、例えば、所定の電圧の印加により電気抵抗が変化する特性を有する。
The
以上、第5の実施形態の記憶装置によれば、第4の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。よって、第5の実施形態によれば、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置を実現できる。 As described above, according to the memory device of the fifth embodiment, a switching element having excellent characteristics such as a low semi-selection leakage current and high reliability can be realized, as in the fourth embodiment. Therefore, according to the fifth embodiment, a memory device having a switching element with excellent characteristics can be realized.
(第6の実施形態)
第6の実施形態の記憶装置は、第1の導電層と、第2の導電層と、第1の導電層と第2の導電層との間に設けられたメモリ層と、を含むメモリセルを備え、メモリ層は、アルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物と、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素との化合物と、を含む。第6の実施形態の記憶装置は、メモリ層がアルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物を含む点で、第3の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第3の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する場合がある。
Sixth Embodiment
The memory device of the sixth embodiment includes a memory cell including a first conductive layer, a second conductive layer, and a memory layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer, and the memory layer includes a compound of an oxide of aluminum (Al) or an oxynitride of aluminum (Al), a first element which is at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), and bismuth (Bi), and a second element which is at least one element selected from the group consisting of tellurium (Te), sulfur (S), and selenium (Se). The memory device of the sixth embodiment is different from the memory device of the third embodiment in that the memory layer includes an oxide of aluminum (Al) or an oxynitride of aluminum (Al). Hereinafter, some of the contents overlapping with the third embodiment may be omitted.
また、第6の実施形態の記憶装置は、複数の第1の配線と、複数の第1の配線と交差する複数の第2の配線と、を更に備える。そして、複数の第1の配線の一つと、複数の第2の配線の一つが交差する領域に上記メモリセルが設けられる。 The memory device of the sixth embodiment further includes a plurality of first wirings and a plurality of second wirings that intersect with the plurality of first wirings. The memory cell is provided in a region where one of the plurality of first wirings intersects with one of the plurality of second wirings.
第6の実施形態の記憶装置は、メモリセルが第3の導電層と抵抗変化層を含まず、第4の実施形態及び第5の実施形態のスイッチング層と同様の構成を、メモリ層として含む点で、第4の実施形態及び第5の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第4の実施形態又は第5の実施形態と重複する内容については記述を一部省略する。 The memory device of the sixth embodiment differs from the memory devices of the fourth and fifth embodiments in that the memory cell does not include a third conductive layer and a resistance change layer, but includes a configuration similar to the switching layer of the fourth and fifth embodiments as a memory layer. Below, some of the description that overlaps with the fourth and fifth embodiments will be omitted.
図31は、第6の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図31は、図1のメモリセルアレイ100と同様のメモリセルアレイの中の、一個のメモリセルMCの断面を示す。
Figure 31 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device of the sixth embodiment. Figure 31 shows a cross-section of one memory cell MC in a memory cell array similar to the
メモリセルMCは、図31に示すように、下部電極10、上部電極20、及び、メモリ層160を備える。
As shown in FIG. 31, the memory cell MC includes a
下部電極10は、第1の導電層の一例である。上部電極20は、第2の導電層の一例である。
The
下部電極10、メモリ層160、及び上部電極20が、メモリセルMCのメモリ素子を構成する。メモリセルMCのメモリ素子は、スイッチング機能を有し、かつ、情報を記憶する機能を有している。
The
メモリ層160は、第4の実施形態及び第5の実施形態のスイッチング層140と同様の構成を備える。すなわち、メモリ層160は、アルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物と、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素との化合物と、を含む。
The
メモリ層160は、特定の閾値電圧で電流が急峻に立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する。また、メモリ層160は、所定の電圧の印加により閾値電圧が変化する特性を有する。メモリ層160は、所定の電圧の印加により電気抵抗が変化する特性を有する。第6の実施形態において、高抵抗状態とは、読み出し電圧におけるメモリ層160の抵抗が相対的に高い状態である。また、第6の実施形態において、低抵抗状態とは、読み出し電圧におけるメモリ層160の抵抗が相対的に低い状態である。
The
メモリ層160は、半選択セルに流れる半選択リーク電流の増加を抑制する機能を有する。また、メモリ層160は、抵抗変化によりデータを記憶する機能を有する。メモリ層160は、単層で、第4の実施形態及び第5の実施形態のスイッチング層140の機能と抵抗変化層50の機能を両立させる。
The
第6の実施形態では、メモリセルMCのメモリ素子は、スイッチング機能を有し、かつ、情報を記憶する機能を有している。メモリ層160は、単層で、第4の実施形態及び第5の実施形態のスイッチング層140の機能と抵抗変化層50の機能を実現する。第6の実施形態のメモリ層160が、単層で、スイッチング機能とメモリ機能を備えることで、メモリセルMCの構造を極めて単純な構造にできる。
In the sixth embodiment, the memory element of the memory cell MC has a switching function and a function of storing information. The
また、第6の実施形態のメモリ層160は、第4の実施形態及び第5の実施形態のスイッチング層140と同様の構成を備える。したがって、第6の実施形態によれば、第4の実施形態及び第5の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れたスイッチング特性を有する記憶装置を実現できる。
The
(第7の実施形態)
第7の実施形態の記憶装置は、第1の導電層と、第2の導電層と、第1の導電層と第2の導電層との間に設けられた第3の導電層と、第1の導電層と第3の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、第3の導電層と第2の導電層との間に設けられたスイッチング層と、を含むメモリセルを備え、スイッチング層は、シリコン(Si)、ボロン(B)、及びゲルマニウム(Ge)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物又は前記第1の元素の酸窒化物と、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物と、を含む。第7の実施形態の記憶装置は、スイッチング層がシリコン(Si)、ボロン(B)、及びゲルマニウム(Ge)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物又は第1の元素の酸窒化物を含む点で、第1の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第1の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する場合がある。
Seventh Embodiment
A seventh embodiment of the memory device includes a memory cell including a first conductive layer, a second conductive layer, a third conductive layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer, a resistance change layer provided between the first conductive layer and the third conductive layer, and a switching layer provided between the third conductive layer and the second conductive layer, and the switching layer includes an oxide of a first element, which is at least one element selected from the group consisting of silicon (Si), boron (B), and germanium (Ge), or an oxynitride of the first element, a second element, which is at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), and bismuth (Bi), and a compound of a third element, which is at least one element selected from the group consisting of tellurium (Te), sulfur (S), and selenium (Se). The storage device of the seventh embodiment differs from the storage device of the first embodiment in that the switching layer contains an oxide of a first element or an oxynitride of the first element, the first element being at least one element selected from the group consisting of silicon (Si), boron (B), and germanium (Ge). In the following, some of the contents that overlap with the first embodiment may be omitted.
また、第7の実施形態の記憶装置は、複数の第1の配線と、複数の第1の配線と交差する複数の第2の配線と、を更に備える。そして、複数の第1の配線の一つと、複数の第2の配線の一つが交差する領域に上記メモリセルが設けられる。 The seventh embodiment of the memory device further includes a plurality of first wirings and a plurality of second wirings that intersect with the plurality of first wirings. The memory cell is provided in a region where one of the plurality of first wirings intersects with one of the plurality of second wirings.
図32は、第7の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図32は、図1のメモリセルアレイ100と同様のメモリセルアレイの中の、一個のメモリセルMCの断面を示す。
Figure 32 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device of the seventh embodiment. Figure 32 shows a cross-section of one memory cell MC in a memory cell array similar to the
メモリセルMCは、図32に示すように、下部電極10、上部電極20、中間電極30、スイッチング層240、及び、抵抗変化層50を備える。抵抗変化層50は、固定層51、トンネル層52、及び自由層53を含む。
As shown in FIG. 32, the memory cell MC includes a
下部電極10は、第1の導電層の一例である。上部電極20は、第2の導電層の一例である。中間電極30は、第3の導電層の一例である。
The
下部電極10、スイッチング層240、及び中間電極30が、メモリセルMCのスイッチング素子を構成する。中間電極30、抵抗変化層50、及び上部電極20が、メモリセルMCの抵抗変化素子を構成する。
The
下部電極10はワード線102に接続される。下部電極10は、例えば金属である。下部電極10は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。下部電極10はワード線102の一部であっても構わない。
The
上部電極20はビット線103に接続される。上部電極20は、例えば金属である。上部電極20は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。上部電極20はビット線103の一部であっても構わない。
The
中間電極30は、下部電極10と上部電極20との間に設けられる。中間電極30は、例えば金属である。中間電極30は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。
The
スイッチング層240は、下部電極10と中間電極30との間に設けられる。スイッチング層240の下部電極10から上部電極20に向かう第1の方向の厚さは、例えば、5nm以上50nm以下である。スイッチング層240の下部電極10から上部電極20に向かう第1の方向の厚さは、例えば、5nm以上20nm以下であることがより好ましい。
The
スイッチング層240は、半選択セルに流れる半選択リーク電流の増加を抑制する機能を有する。スイッチング層240は、特定の閾値電圧で電流が急峻に立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する。
The
スイッチング層240は、酸化物又は酸窒化物と、カルコゲン化物を含む。カルコゲン化物(chalcogenide)は、カルコゲン元素であるテルル(Te)、硫黄(S)、又はセレン(Se)と、他の元素とが結合した化合物である。
The
スイッチング層240は、シリコン(Si)、ボロン(B)、及びゲルマニウム(Ge)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物又は第1の元素の酸窒化物を含む。スイッチング層240は、第1の元素の酸化物と第1の元素の酸窒化物の両方を含んでも構わない。スイッチング層240は、例えば、酸化シリコン、酸化ボロン、及び酸化ゲルマニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの酸化物を含む。スイッチング層240は、例えば、酸窒化シリコン、酸窒化ボロン、及び酸窒化ゲルマニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの酸窒化物を含む。
The
スイッチング層240が第1の元素の酸化物、又は、第1の元素の酸窒化物を含むか否かは、例えば、X線光電子分光法(XPS)又は電子エネルギー損失分光法(EELS)を用いて判定することが可能である。
Whether the
スイッチング層240における、第1の元素の原子濃度に対する酸素(O)の原子濃度の比率は、例えば、0.5以上4.0以下である。スイッチング層240における、第1の元素の原子濃度に対する酸素(O)の原子濃度の比率は、より好ましくは0.5以上3.0以下である。
In the
スイッチング層240は、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、スカンジウム(Sc)、バナジウム(V)、及びニオブ(Nb)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素の酸化物又は上記少なくとも一つの元素の酸窒化物を含んでも構わない。
The
スイッチング層240は、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物であるカルコゲン化物を含む。スイッチング層240は、第2の元素のカルコゲン化物を含む。スイッチング層240は、例えば、テルル化亜鉛、テルル化スズ、テルル化ガリウム、テルル化インジウム、テルル化ビスマス、硫化亜鉛、硫化スズ、硫化ガリウム、硫化インジウム、硫化ビスマス、セレン化亜鉛、セレン化スズ、セレン化ガリウム、セレン化インジウム、及びセレン化ビスマスからなる群から選ばれる少なくとも一つのカルコゲン化物を含む。第3の元素としてより好ましくはテルル(Te)であり、スイッチング層240は、より好ましくは、テルル化亜鉛、テルル化スズ、テルル化ガリウム、テルル化インジウム、及びテルル化ビスマスからなる群から選ばれる少なくとも一つのカルコゲン化物を含む。テルル化物は、硫化物、セレン化物と比べて、バンドギャップが小さいため、書き込み電圧を相対的に小さくすることができ、書き込みを繰り返した場合の、半選択リーク電流の変動や、オン電流の変動などの特性変動を抑制することができるという利点を持つ。
The
スイッチング層240が第2の元素のカルコゲン化物を含むか否かは、例えば、X線吸収微細構造解析(XAFS)、ラマン分光法(Raman)、又は電子エネルギー損失分光法(EELS)を用いて判定することが可能である。
Whether the
上記酸化物又は上記酸窒化物、及び、上記カルコゲン化物は、例えば、スイッチング層240の主成分である。上記酸化物又は上記酸窒化物、及び上記カルコゲン化物がスイッチング層240の主成分であるとは、スイッチング層240に含まれる物質の中で、上記酸化物又は上記カルコゲン化物よりもモル分率の高い物質が存在しないことを意味する。
The oxide, oxynitride, and chalcogenide are, for example, the main components of the
スイッチング層240における、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和は、例えば、90%以上である。
The sum of the atomic concentrations of the first element, the second element, the third element, and oxygen (O) in the
スイッチング層240は、例えば、上記酸化物又は上記酸窒化物、及び上記カルコゲン化物の混合物を含む。上記酸化物又は上記酸窒化物、及び上記カルコゲン化物は、例えば、混合した状態で、スイッチング層240の中に存在する。
The
スイッチング層240における、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、第1の元素と酸素(O)の原子濃度の和の比率は、例えば、3%以上97%以下である。
In the
スイッチング層240における、第3の元素の原子濃度は、例えば、第2の元素の原子濃度より高い。例えば、第2の元素が亜鉛(Zn)、第3の元素がテルル(Te)の場合、スイッチング層240における、テルル(Te)の原子濃度は、例えば、亜鉛(Zn)の原子濃度よりも高い。
The atomic concentration of the third element in the
スイッチング層240には、例えば、第2の元素と第3の元素が結合して形成されるカルコゲン化物と、カルコゲン化物を形成しない余剰の第3の元素が存在する。例えば、第2の元素が亜鉛(Zn)、第3の元素がテルル(Te)の場合、スイッチング層240に、テルル化亜鉛と余剰のテルル(Te)が共存する。
In the
例えば、スイッチング層240に含まれる上記酸化物又は上記酸窒化物の少なくとも一部は結晶質である。スイッチング層240に含まれる上記酸化物又は上記酸窒化物の少なくとも一部が結晶質であるか否かは、例えば、電子線回折法を用いて判定することが可能である。なお、スイッチング層240に含まれるカルコゲン化物の一部が結晶質であっても構わない。
For example, at least a portion of the oxide or oxynitride contained in the
スイッチング層240は、例えば、炭素(C)を含む。スイッチング層240に含まれる炭素(C)の原子濃度は、例えば、5%以上20%以下である。
The
スイッチング層240は、例えば、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)、及びバナジウム(V)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第5の元素を含む。スイッチング層240に含まれる第5の元素の原子濃度は、例えば、1%以上10%以下である。
The
スイッチング層240は、例えば、スパッタリング法により形成することが可能である。第1の元素の酸化物と、第2の元素のカルコゲン化物を含むスイッチング層240は、例えば、第1の元素の酸化物から成るターゲットと、第2の元素のカルコゲン化物から成るターゲットを用いたコ・スパッタリング法(co-sputtering法)により形成することが可能である。また、スイッチング層240は、例えば、第1の元素の酸化物と、第2の元素のカルコゲン化物との混合物からなるターゲットを用いたスパッタリング法により形成することが可能である。
The
抵抗変化層50は、中間電極30と上部電極20との間に設けられる。抵抗変化層50は、固定層51、トンネル層52、及び自由層53を有する。抵抗変化層50は、固定層51、トンネル層52、及び自由層53で構成される磁気トンネル接合を含む。
The
抵抗変化層50は、抵抗変化によりデータを記憶する機能を有する。抵抗変化層50は、例えば、所定の電圧の印加により電気抵抗が変化する特性を有する。
The
次に、第7の実施形態の記憶装置の作用及び効果について説明する。 Next, the operation and effects of the seventh embodiment of the storage device will be described.
第7の実施形態のスイッチング素子のスイッチング層240は、シリコン(Si)、ボロン(B)、及びゲルマニウム(Ge)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物又は第1の元素の酸窒化物と、第2の元素のカルコゲン化物を含む。スイッチング層240が第1の元素の酸化物又は第1の元素の酸窒化物と、第2の元素のカルコゲン化物を含むことにより、第1の実施形態のスイッチング素子と同様、低い半選択リーク電流、及び、特性変動の抑制、が実現できる。
The
第7の実施形態のスイッチング素子は、スイッチング層240が特にガラス形成能の高い、シリコン(Si)、ボロン(B)、及びゲルマニウム(Ge)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物又は第1の元素の酸窒化物を含むことで、非晶質を維持しやすい。したがって、第7の実施形態のスイッチング素子は、第1の実施形態のスイッチング素子と比較して、更に低い半選択リーク電流、及び、更なる特性変動の抑制を実現できる。
The switching element of the seventh embodiment is easy to maintain amorphous because the
スイッチング層240における、第1の元素の原子濃度に対する酸素(O)の原子濃度の比率は、0.5以上4.0以下であることが好ましく、0.5以上3.0以下であることがより好ましい。上記範囲を充足することで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
In the
スイッチング層240における、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、第1の元素と酸素(O)の原子濃度の和の比率は、例えば、3%以上97%以下であることが好ましく、5%以上80%未満であることがより好ましく、10%以上60%未満であることが更に好ましく、20%以上50%未満であることが最も好ましい。上記範囲を充足することで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
In the
また、スイッチング層240における、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、第1の元素と酸素(O)の原子濃度の和の比率が、例えば、5%以上80%未満であることが好ましい。加えて、第1の元素、第2の元素、第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、第3の元素の原子濃度と第2の元素の原子濃度の差の絶対値の比率が、20%以下であることが好ましく、10%以下であることがより好ましく、5%以下であることが更に好ましい。上記範囲を充足することで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
In addition, in the
スイッチング層240における、テルル(Te)の原子濃度は亜鉛(Zn)の原子濃度より高く、かつ、第1の元素、亜鉛(Zn)、テルル(Te)、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する第1の元素と酸素(O)の原子濃度の和の比率が5%以上80%未満であり、かつ、第1の元素、亜鉛(Zn)、テルル(Te)、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、テルル(Te)の原子濃度と亜鉛(Zn)の原子濃度の差の比率が5%以上20%以下であることが好ましい。
In the
スイッチング層240における、第3の元素の原子濃度は、第2の元素の原子濃度より高いことが好ましい。第3の元素の原子濃度が第2の元素の原子濃度より高いことで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
The atomic concentration of the third element in the
スイッチング素子の特性を更に向上させる観点から、スイッチング層240は、炭素(C)を含むことが好ましい。スイッチング素子の特性を更に向上させる観点から、スイッチング層240に含まれる炭素(C)の原子濃度は、5%以上20%以下であることが好ましい。
From the viewpoint of further improving the characteristics of the switching element, it is preferable that the
スイッチング素子の特性を更に向上させる観点から、スイッチング層240は、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)、及びバナジウム(V)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第5の元素を含むことが好ましい。スイッチング素子の特性を更に向上させる観点から、スイッチング層240に含まれる第5の元素の原子濃度は、1%以上10%以下であることが好ましい。スイッチング層240が第5の元素を含むことで、第2の元素のカルコゲン化物の凝集が抑制されると考えられる。
From the viewpoint of further improving the characteristics of the switching element, it is preferable that the
特に、スイッチング層240が第1の元素の酸窒化物を含む場合、スイッチング層240は、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)、及びバナジウム(V)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第5の元素を含むことで、スイッチング素子の特性が更に向上する。
In particular, when the
スイッチング素子の特性を更に向上させる観点から、スイッチング層240に含まれる第1の元素の酸化物又は第1の元素の酸窒化物の少なくとも一部は結晶質であることが好ましい。第1の元素の酸化物又は第1の元素の酸窒化物の少なくとも一部が結晶質となることで第1の元素の拡散が抑えられ、分離した第1の元素に起因するリーク電流の増大を抑制できると考えられる。
From the viewpoint of further improving the characteristics of the switching element, it is preferable that at least a portion of the oxide of the first element or the oxynitride of the first element contained in the
第7の実施形態によれば、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。よって、第7の実施形態によれば、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置を実現できる。 According to the seventh embodiment, a switching element having excellent characteristics such as a low semi-selection leakage current and high reliability can be realized. Therefore, according to the seventh embodiment, a memory device having a switching element with excellent characteristics can be realized.
(第8の実施形態)
第8の実施形態の記憶装置は、抵抗変化型メモリ(ReRAM)である点で、第7の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第7の実施形態と重複する内容については記述を一部省略する。
Eighth embodiment
The storage device of the eighth embodiment differs from the storage device of the seventh embodiment in that the storage device of the eighth embodiment is a resistive random access memory (ReRAM).
図33は、第8の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図33は、図1のメモリセルアレイ100と同様のメモリセルアレイの中の、一個のメモリセルMCの断面を示す。
Figure 33 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device of the eighth embodiment. Figure 33 shows a cross-section of one memory cell MC in a memory cell array similar to the
メモリセルMCは、図33に示すように、下部電極10、上部電極20、中間電極30、スイッチング層240、及び、抵抗変化層50を備える。抵抗変化層50は、高抵抗層50x及び低抵抗層50yを含む。
As shown in FIG. 33, the memory cell MC includes a
下部電極10は、第1の導電層の一例である。上部電極20は、第2の導電層の一例である。中間電極30は、第3の導電層の一例である。
The
下部電極10、スイッチング層240、及び中間電極30が、メモリセルMCのスイッチング素子を構成する。中間電極30、抵抗変化層50、及び上部電極20が、メモリセルMCの抵抗変化素子を構成する。
The
スイッチング層240の構成は、第7の実施形態の記憶装置と同様である。
The configuration of the
抵抗変化層50は、高抵抗層50xと低抵抗層50yを含む。
The
高抵抗層50xは、例えば、金属酸化物である。高抵抗層50xは、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、又は、酸化ニオブである。
The
低抵抗層50yは、例えば、金属酸化物である。低抵抗層50yは、例えば、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、又は、酸化タングステンである。
The
抵抗変化層50は、抵抗変化によりデータを記憶する機能を有する。抵抗変化層50は、例えば、所定の電圧の印加により電気抵抗が変化する特性を有する。
The
以上、第8の実施形態の記憶装置によれば、第7の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。よって、第8の実施形態によれば、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置を実現できる。 As described above, according to the memory device of the eighth embodiment, a switching element having excellent characteristics such as a low semi-selection leakage current and high reliability can be realized, as in the seventh embodiment. Therefore, according to the eighth embodiment, a memory device having a switching element with excellent characteristics can be realized.
(第9の実施形態)
第9の実施形態の記憶装置は、第1の導電層と、第2の導電層と、第1の導電層と第2の導電層との間に設けられたメモリ層と、を含むメモリセルを備え、メモリ層は、シリコン(Si)、ボロン(B)、及びゲルマニウム(Ge)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物又は第1の元素の酸窒化物と、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物と、を含む。第9の実施形態の記憶装置は、メモリ層がシリコン(Si)、ボロン(B)、及びゲルマニウム(Ge)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物又は第1の元素の酸窒化物を含む点で、第3の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第3の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する場合がある。
Ninth embodiment
The memory device of the ninth embodiment includes a memory cell including a first conductive layer, a second conductive layer, and a memory layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer, and the memory layer includes a compound of an oxide of a first element, which is at least one element selected from the group consisting of silicon (Si), boron (B), and germanium (Ge), or an oxynitride of the first element, a second element, which is at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), and bismuth (Bi), and a third element, which is at least one element selected from the group consisting of tellurium (Te), sulfur (S), and selenium (Se). The memory device of the ninth embodiment is different from the memory device of the third embodiment in that the memory layer includes an oxide of a first element, which is at least one element selected from the group consisting of silicon (Si), boron (B), and germanium (Ge), or an oxynitride of the first element. Hereinafter, some of the contents that overlap with the third embodiment may be omitted.
また、第9の実施形態の記憶装置は、複数の第1の配線と、複数の第1の配線と交差する複数の第2の配線と、を更に備える。そして、複数の第1の配線の一つと、複数の第2の配線の一つが交差する領域に上記メモリセルが設けられる。 The memory device of the ninth embodiment further includes a plurality of first wirings and a plurality of second wirings that intersect with the plurality of first wirings. The memory cell is provided in a region where one of the plurality of first wirings intersects with one of the plurality of second wirings.
第9の実施形態の記憶装置は、メモリセルが第3の導電層と抵抗変化層を含まず、第7の実施形態及び第8の実施形態のスイッチング層と同様の構成を、メモリ層として含む点で、第7の実施形態及び第8の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第7の実施形態又は第8の実施形態と重複する内容については記述を一部省略する。 The memory device of the ninth embodiment differs from the memory devices of the seventh and eighth embodiments in that the memory cell does not include a third conductive layer and a resistance change layer, but includes a configuration similar to the switching layer of the seventh and eighth embodiments as a memory layer. Below, some of the description that overlaps with the seventh and eighth embodiments will be omitted.
図34は、第9の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図34は、図1のメモリセルアレイ100と同様のメモリセルアレイの中の、一個のメモリセルMCの断面を示す。
Figure 34 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device of the ninth embodiment. Figure 34 shows a cross-section of one memory cell MC in a memory cell array similar to the
メモリセルMCは、図34に示すように、下部電極10、上部電極20、及び、メモリ層260を備える。
As shown in FIG. 34, the memory cell MC includes a
下部電極10は、第1の導電層の一例である。上部電極20は、第2の導電層の一例である。
The
下部電極10、メモリ層260、及び上部電極20が、メモリセルMCのメモリ素子を構成する。メモリセルMCのメモリ素子は、スイッチング機能を有し、かつ、情報を記憶する機能を有している。
The
メモリ層260は、第7の実施形態及び第8の実施形態のスイッチング層240と同様の構成を備える。すなわち、メモリ層260は、シリコン(Si)、ボロン(B)、及びゲルマニウム(Ge)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物又は第1の元素の酸窒化物と、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物と、を含む。
The
メモリ層260は、特定の閾値電圧で電流が急峻に立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する。また、メモリ層260は、所定の電圧の印加により閾値電圧が変化する特性を有する。メモリ層260は、所定の電圧の印加により電気抵抗が変化する特性を有する。第9の実施形態において、高抵抗状態とは、読み出し電圧におけるメモリ層260の抵抗が相対的に高い状態である。また、第9の実施形態において、低抵抗状態とは、読み出し電圧におけるメモリ層260の抵抗が相対的に低い状態である。
The
メモリ層260は、半選択セルに流れる半選択リーク電流の増加を抑制する機能を有する。また、メモリ層260は、抵抗変化によりデータを記憶する機能を有する。メモリ層260は、単層で、第7の実施形態及び第8の実施形態のスイッチング層240の機能と抵抗変化層50の機能を両立させる。
The
第9の実施形態では、メモリセルMCのメモリ素子は、スイッチング機能を有し、かつ、情報を記憶する機能を有している。メモリ層260は、単層で、第7の実施形態及び第8の実施形態のスイッチング層240の機能と抵抗変化層50の機能を実現する。第9の実施形態のメモリ層260が、単層で、スイッチング機能とメモリ機能を備えることで、メモリセルMCの構造を極めて単純な構造にできる。
In the ninth embodiment, the memory element of the memory cell MC has a switching function and a function of storing information. The
また、第9の実施形態のメモリ層260は、第7の実施形態及び第8の実施形態のスイッチング層240と同様の構成を備える。したがって、第9の実施形態によれば、第7の実施形態及び第8の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れたスイッチング特性を有する記憶装置を実現できる。
The
第1、第4、及び第7の実施形態では2端子の記憶装置として磁気抵抗メモリ、第2、第5、及び第8の実施形態では記憶装置として抵抗変化型メモリを例に説明したが、その他の2端子の記憶装置に本発明を適用することが可能である。例えば、相変化メモリ(Phase Change Memory:PCM)、又は、強誘電体メモリ(Ferroelectric Random Access Memory:FeRAM)に本発明を適用することが可能である。 In the first, fourth, and seventh embodiments, a magnetoresistive memory is used as an example of a two-terminal memory device, and in the second, fifth, and eighth embodiments, a resistance change memory is used as an example of a memory device, but the present invention can be applied to other two-terminal memory devices. For example, the present invention can be applied to a phase change memory (PCM) or a ferroelectric random access memory (FeRAM).
第1、第2、及び第3の実施形態では、スイッチング層又はメモリ層が、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、及びマグネシウム(Mg)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物を含む場合を例に説明したが、スイッチング層又はメモリ層は、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、マグネシウム(Mg)、スカンジウム(Sc)、バナジウム(V)、及びニオブ(Nb)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物を含んでも構わない。 In the first, second, and third embodiments, the switching layer or memory layer includes an oxide of a first element that is at least one element selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), tantalum (Ta), lanthanum (La), cerium (Ce), titanium (Ti), hafnium (Hf), and magnesium (Mg). However, the switching layer or memory layer may include an oxide of a first element that is at least one element selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), tantalum (Ta), lanthanum (La), cerium (Ce), titanium (Ti), hafnium (Hf), magnesium (Mg), scandium (Sc), vanadium (V), and niobium (Nb).
以上、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。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。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。 Although several embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. For example, components of one embodiment may be replaced or modified with components of another embodiment. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims.
10 下部電極(第1の導電層)
20 上部電極(第2の導電層)
30 中間電極(第3の導電層)
40 スイッチング層
50 抵抗変化層
60 メモリ層
102 ワード線(第1の配線)
103 ビット線(第2の配線)
140 スイッチング層
160 メモリ層
240 スイッチング層
260 メモリ層
MC メモリセル
10 Lower electrode (first conductive layer)
20 Upper electrode (second conductive layer)
30 Intermediate electrode (third conductive layer)
40
103 bit line (second wiring)
140
Claims (46)
第2の導電層と、
前記第1の導電層と前記第2の導電層との間に設けられた第3の導電層と、
前記第1の導電層と前記第3の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、
前記第3の導電層と前記第2の導電層との間に設けられたスイッチング層と、を含むメモリセルを備え、
前記スイッチング層は、
ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、及びマグネシウム(Mg)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物と、
亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物と、
を含む、記憶装置。 A first conductive layer; and
A second conductive layer; and
a third conductive layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer;
a resistance change layer provided between the first conductive layer and the third conductive layer;
a switching layer provided between the third conductive layer and the second conductive layer;
The switching layer comprises:
an oxide of a first element, which is at least one element selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), tantalum (Ta), lanthanum (La), cerium (Ce), titanium (Ti), hafnium (Hf), and magnesium (Mg);
a compound of a second element which is at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), and bismuth (Bi) and a third element which is at least one element selected from the group consisting of tellurium (Te), sulfur (S), and selenium (Se);
2. A storage device comprising:
前記第1の元素、前記第2の元素、前記第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、前記第3の元素の原子濃度と前記第2の元素の原子濃度の差の絶対値の比率が20%以下である、請求項1記載の記憶装置。 a ratio of a sum of atomic concentrations of the first element and oxygen (O) to a sum of atomic concentrations of the first element, the second element, the third element, and oxygen (O) in the switching layer is 5% or more and less than 80%,
2. The storage device according to claim 1, wherein a ratio of an absolute value of a difference between an atomic concentration of the third element and an atomic concentration of the second element to a sum of atomic concentrations of the first element, the second element, the third element, and oxygen (O) is 20% or less.
前記第1の元素、前記第2の元素、前記第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、前記第1の元素と酸素(O)の原子濃度の和の比率が、5%以上80%未満であり、
前記第1の元素、前記第2の元素、前記第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、前記第3の元素の原子濃度と前記第2の元素の原子濃度の差の比率が5%以上20%以下である、請求項1記載の記憶装置。 an atomic concentration of the third element in the switching layer is higher than an atomic concentration of the second element;
a ratio of the sum of the atomic concentrations of the first element and oxygen (O) to the sum of the atomic concentrations of the first element, the second element, the third element, and oxygen (O) is 5% or more and less than 80%,
2. The storage device according to claim 1, wherein a ratio of a difference between the atomic concentration of the third element and the atomic concentration of the second element to a sum of the atomic concentrations of the first element, the second element, the third element, and oxygen (O) is 5% or more and 20% or less.
前記スイッチング層における、前記第3の元素の原子濃度が前記第2の元素の原子濃度より高い、請求項1記載の記憶装置。 a ratio of a sum of atomic concentrations of the first element and oxygen (O) to a sum of atomic concentrations of the first element, the second element, the third element, and oxygen (O) in the switching layer is 5% or more and less than 80%,
2. The memory device according to claim 1, wherein the atomic concentration of the third element in the switching layer is higher than the atomic concentration of the second element.
前記第1の元素、前記第2の元素、前記第3の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、前記第3の元素の原子濃度と前記第2の元素の原子濃度の差の絶対値の比率が5%以下である、請求項1記載の記憶装置。 a ratio of a sum of atomic concentrations of the first element and oxygen (O) to a sum of atomic concentrations of the first element, the second element, the third element, and oxygen (O) in the switching layer is 5% or more and less than 80%,
2. The storage device according to claim 1, wherein a ratio of an absolute value of a difference between the atomic concentration of the third element and the atomic concentration of the second element to a sum of atomic concentrations of the first element, the second element, the third element, and oxygen (O) is 5% or less.
前記スイッチング層は、特定の閾値電圧で電流が立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する、請求項1記載の記憶装置。 The resistance change layer changes electrical resistance when a predetermined voltage is applied thereto.
The storage device according to claim 1 , wherein the switching layer has a nonlinear current-voltage characteristic in which a current rises at a specific threshold voltage.
前記複数の第1の配線と交差する複数の第2の配線と、を更に備え、
前記複数の第1の配線の一つと、前記複数の第2の配線の一つが交差する領域に前記メモリセルが設けられる、請求項1記載の記憶装置。 A plurality of first wirings;
a plurality of second wirings intersecting the plurality of first wirings;
2. The memory device according to claim 1, wherein said memory cell is provided in a region where one of said plurality of first wirings and one of said plurality of second wirings intersect.
第2の導電層と、
前記第1の導電層と前記第2の導電層との間に設けられたメモリ層と、を含むメモリセルを備え、
前記メモリ層は、
ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、及びマグネシウム(Mg)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物と、
亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物と、
を含む、記憶装置。 A first conductive layer; and
A second conductive layer; and
a memory layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer;
The memory layer comprises:
an oxide of a first element, which is at least one element selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), tantalum (Ta), lanthanum (La), cerium (Ce), titanium (Ti), hafnium (Hf), and magnesium (Mg);
a compound of a second element which is at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), and bismuth (Bi) and a third element which is at least one element selected from the group consisting of tellurium (Te), sulfur (S), and selenium (Se);
2. A storage device comprising:
前記複数の第1の配線と交差する複数の第2の配線と、を更に備え、
前記複数の第1の配線の一つと、前記複数の第2の配線の一つが交差する領域に前記メモリセルが設けられる、請求項17記載の記憶装置。 A plurality of first wirings;
a plurality of second wirings intersecting the plurality of first wirings;
18. The memory device according to claim 17, wherein the memory cell is provided in a region where one of the plurality of first wirings and one of the plurality of second wirings intersect.
第2の導電層と、
前記第1の導電層と前記第2の導電層との間に設けられた第3の導電層と、
前記第1の導電層と前記第3の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、
前記第3の導電層と前記第2の導電層との間に設けられたスイッチング層と、を含むメモリセルを備え、
前記スイッチング層は、
アルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物と、
亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素との化合物と、
を含む、記憶装置。 A first conductive layer; and
A second conductive layer; and
a third conductive layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer;
a resistance change layer provided between the first conductive layer and the third conductive layer;
a switching layer provided between the third conductive layer and the second conductive layer;
The switching layer comprises:
an oxide of aluminum (Al) or an oxynitride of aluminum (Al);
A compound of a first element, which is at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), and bismuth (Bi), and a second element, which is at least one element selected from the group consisting of tellurium (Te), sulfur (S), and selenium (Se);
2. A storage device comprising:
アルミニウム(Al)、前記第1の元素、前記第2の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、前記第2の元素の原子濃度と前記第1の元素の原子濃度の差の絶対値の比率が20%以下である、請求項21記載の記憶装置。 In the switching layer, a ratio of the sum of atomic concentrations of aluminum (Al) and oxygen (O) to the sum of atomic concentrations of aluminum (Al), the first element, the second element, and oxygen (O) is 5% or more and less than 80%,
22. The storage device according to claim 21, wherein a ratio of an absolute value of a difference between an atomic concentration of the second element and an atomic concentration of the first element to a sum of atomic concentrations of aluminum (Al), the first element, the second element, and oxygen (O) is 20% or less.
アルミニウム(Al)、前記第1の元素、前記第2の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、アルミニウム(Al)と酸素(O)の原子濃度の和の比率が、5%以上80%未満であり、
アルミニウム(Al)、前記第1の元素、前記第2の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、前記第2の元素の原子濃度と前記第1の元素の原子濃度の差の比率が5%以上20%以下である、請求項21記載の記憶装置。 an atomic concentration of the second element in the switching layer is higher than an atomic concentration of the first element;
A ratio of the sum of atomic concentrations of aluminum (Al) and oxygen (O) to the sum of atomic concentrations of aluminum (Al), the first element, the second element, and oxygen (O) is 5% or more and less than 80%,
22. The storage device according to claim 21, wherein a ratio of a difference between an atomic concentration of the second element and an atomic concentration of the first element to a sum of atomic concentrations of aluminum (Al), the first element, the second element, and oxygen (O) is 5% or more and 20% or less.
前記スイッチング層における、前記第2の元素の原子濃度が前記第1の元素の原子濃度より高い、請求項21記載の記憶装置。 In the switching layer, a ratio of a sum of atomic concentrations of aluminum (Al) and oxygen (O) to a sum of atomic concentrations of aluminum (Al), the first element, the second element, and oxygen (O) is 5% or more and less than 80%,
22. The memory device of claim 21, wherein the atomic concentration of the second element in the switching layer is higher than the atomic concentration of the first element.
アルミニウム(Al)、前記第1の元素、前記第2の元素、及び酸素(O)の原子濃度の和に対する、前記第2の元素の原子濃度と前記第1の元素の原子濃度の差の絶対値の比率が5%以下である、請求項21記載の記憶装置。 In the switching layer, a ratio of a sum of atomic concentrations of aluminum (Al) and oxygen (O) to a sum of atomic concentrations of aluminum (Al), the first element, the second element, and oxygen (O) is 5% or more and less than 80%,
22. The storage device according to claim 21, wherein a ratio of an absolute value of a difference between an atomic concentration of the second element and an atomic concentration of the first element to a sum of atomic concentrations of aluminum (Al), the first element, the second element, and oxygen (O) is 5% or less.
前記スイッチング層は、特定の閾値電圧で電流が立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する、請求項21記載の記憶装置。 The resistance change layer changes electrical resistance when a predetermined voltage is applied thereto.
22. The storage device according to claim 21, wherein the switching layer has a nonlinear current-voltage characteristic in which a current rises at a specific threshold voltage.
前記複数の第1の配線と交差する複数の第2の配線と、を更に備え、
前記複数の第1の配線の一つと、前記複数の第2の配線の一つが交差する領域に前記メモリセルが設けられる、請求項21記載の記憶装置。 A plurality of first wirings;
a plurality of second wirings intersecting the plurality of first wirings;
22. The memory device according to claim 21, wherein the memory cell is provided in a region where one of the plurality of first wirings and one of the plurality of second wirings intersect.
第2の導電層と、
前記第1の導電層と前記第2の導電層との間に設けられたメモリ層と、を含むメモリセルを備え、
前記メモリ層は、
アルミニウム(Al)の酸化物又はアルミニウム(Al)の酸窒化物と、
亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素との化合物と、
を含む、記憶装置。 A first conductive layer; and
A second conductive layer; and
a memory layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer;
The memory layer comprises:
an oxide of aluminum (Al) or an oxynitride of aluminum (Al);
A compound of a first element, which is at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), and bismuth (Bi), and a second element, which is at least one element selected from the group consisting of tellurium (Te), sulfur (S), and selenium (Se);
2. A storage device comprising:
前記複数の第1の配線と交差する複数の第2の配線と、を更に備え、
前記複数の第1の配線の一つと、前記複数の第2の配線の一つが交差する領域に前記メモリセルが設けられる、請求項40記載の記憶装置。 A plurality of first wirings;
a plurality of second wirings intersecting the plurality of first wirings;
41. The memory device according to claim 40, wherein the memory cell is provided in a region where one of the plurality of first wirings and one of the plurality of second wirings intersect.
第2の導電層と、
前記第1の導電層と前記第2の導電層との間に設けられた第3の導電層と、
前記第1の導電層と前記第3の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、
前記第3の導電層と前記第2の導電層との間に設けられたスイッチング層と、を含むメモリセルを備え、
前記スイッチング層は、
ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、マグネシウム(Mg)、スカンジウム(Sc)、バナジウム(V)、及びニオブ(Nb)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物と、
亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物と、
を含む、記憶装置。 A first conductive layer; and
A second conductive layer; and
a third conductive layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer;
a resistance change layer provided between the first conductive layer and the third conductive layer;
a switching layer provided between the third conductive layer and the second conductive layer;
The switching layer comprises:
an oxide of a first element, which is at least one element selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), tantalum (Ta), lanthanum (La), cerium (Ce), titanium (Ti), hafnium (Hf), magnesium (Mg), scandium (Sc), vanadium (V), and niobium (Nb);
a compound of a second element which is at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), and bismuth (Bi) and a third element which is at least one element selected from the group consisting of tellurium (Te), sulfur (S), and selenium (Se);
2. A storage device comprising:
第2の導電層と、
前記第1の導電層と前記第2の導電層との間に設けられたメモリ層と、を含むメモリセルを備え、
前記メモリ層は、
ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、マグネシウム(Mg)、スカンジウム(Sc)、バナジウム(V)、及びニオブ(Nb)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第1の元素の酸化物と、
亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第2の元素と、テルル(Te)、硫黄(S)、及びセレン(Se)からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である第3の元素との化合物と、
を含む、記憶装置。 A first conductive layer; and
A second conductive layer; and
a memory layer provided between the first conductive layer and the second conductive layer;
The memory layer comprises:
an oxide of a first element, which is at least one element selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), tantalum (Ta), lanthanum (La), cerium (Ce), titanium (Ti), hafnium (Hf), magnesium (Mg), scandium (Sc), vanadium (V), and niobium (Nb);
a compound of a second element which is at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), and bismuth (Bi) and a third element which is at least one element selected from the group consisting of tellurium (Te), sulfur (S), and selenium (Se);
2. A storage device comprising:
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202311072324.1A CN118234247A (en) | 2022-12-21 | 2023-08-24 | Storage device |
US18/476,628 US20240215459A1 (en) | 2022-12-21 | 2023-09-28 | Memory device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022204150 | 2022-12-21 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2024089605A true JP2024089605A (en) | 2024-07-03 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7079201B2 (en) | Switch elements and storage devices and memory systems | |
JP6772124B2 (en) | Switch element and storage device | |
KR101058856B1 (en) | Memory element and memory device using same | |
KR20160110375A (en) | Switch element and memory device | |
WO2016129306A1 (en) | Selective element, memory cell and storage device | |
JP5708930B2 (en) | STORAGE ELEMENT, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND STORAGE DEVICE | |
JP2012018964A (en) | Memory element and driving method thereof, and memory device | |
JPWO2019167538A1 (en) | Switch elements and storage devices and memory systems | |
JP2004342843A (en) | Semiconductor storage element and semiconductor storage using the same | |
KR102631895B1 (en) | memory elements and memory devices | |
US9112132B2 (en) | Resistance-variable memory device | |
WO2017217119A1 (en) | Circuit element, storage device, electronic device, method for writing information to circuit element, and method for reading information from circuit element | |
US8284597B2 (en) | Diode memory | |
US10892300B2 (en) | Storage device | |
JP2024089605A (en) | Storage device | |
US20240215459A1 (en) | Memory device | |
JP2010278275A (en) | Semiconductor memory device | |
US20230079435A1 (en) | Memory cell and memory cell array | |
US20240215467A1 (en) | Memory device | |
US20240215259A1 (en) | Memory device | |
JP2024089606A (en) | Storage device | |
CN118234247A (en) | Storage device | |
JP2024089607A (en) | Storage device | |
US20240099020A1 (en) | Memory device | |
US20240099153A1 (en) | Storage device |