JP4465969B2 - Semiconductor memory element and semiconductor memory device using the same - Google Patents

Semiconductor memory element and semiconductor memory device using the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報を記録することができる半導体記憶素子及びこの半導体記憶素子を用いた半導体記憶装置に係わる。
【0002】
【従来の技術】
コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のDRAMが広く使用されている。
【0003】
しかしながら、DRAMは、電子機器に用いられる一般的な論理回路LSIや信号処理と比較して、製造プロセスが複雑であるため、製造コストが高くなっている。
【0004】
また、DRAMは、電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであり、頻繁にリフレッシュ動作、即ち書き込んだ情報(データ)を読み出し、増幅し直して、再度書き込み直す動作を行う必要がある。
そこで、電源を切っても情報が消えない不揮発性のメモリとして、例えばFeRAM(強誘電体メモリ)やMRAM(磁気記憶素子)等が提案されている。
【0005】
これらのメモリの場合、電源を供給しなくても書き込んだ情報を長時間保持し続けることが可能になる。
また、これらのメモリの場合、不揮発性とすることにより、リフレッシュ動作を不要にして、その分消費電力を低減することができると考えられる。
【0006】
しかしながら、上述の不揮発性のメモリは、各メモリセルを構成するメモリ素子の縮小化を図っていくに従い、記憶素子としての特性を確保することが困難になる。
このため、デザインルールの限界や製造プロセス上の限界まで素子を縮小化することは難しい。
【0007】
そこで、縮小化に適した構成のメモリとして、新しいタイプの記憶素子が提案されている。
この記憶素子は、2つの電極の間に、ある金属を含むイオン導電体を挟んだ構造である。
そして、2つの電極のいずれか一方にイオン導電体中に含まれる金属を含ませることによって、2つの電極間に電圧を印加した場合に、電極中に含まれる金属がイオン導電体中にイオンとして拡散することによって、イオン導電体の抵抗或いはキャパシタンス等の電気特性が変化する。
この特性を利用してメモリデバイスを構成することが可能である(例えば特許文献1、非特許文献1参照。)。
【0008】
具体的には、イオン導電体はカルコゲナイドと金属との固溶体よりなり、さらに具体的には、AsS,GeS,GeSeにAg,Cu或いはZnが固溶された材料からなり、2つの電極のいずれか一方の電極には、Ag,Cu或いはZnを含んでいる(特許文献1参照)。
【0009】
また、この記憶素子の製造方法として、基板上にカルコゲナイドから成るイオン導電体を堆積させた後に、金属を含む電極をイオン導電体上に堆積させ、イオン導電体の光学ギャップ以上のエネルギーを有する光を照射する、或いは熱を加えることによって、金属をイオン導電体中に拡散させて固溶させる方法により、金属を含有するイオン導電体を形成する方法が提案されている。
【0010】
【特許文献1】
特表2002−536840号公報
【非特許文献1】
日経エレクトロニクス 2003.1.20号(第104頁)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した構成の記憶素子では、カルコゲナイドと金属との固溶体によりイオン導電体を構成しており、金属即ち例えばAg,Cu,Znが予め固溶されていることにより、金属イオンを拡散させて記録を行うために要する電流が多く必要になってしまう。
【0012】
また、記録の前後の抵抗値の変化量が、比較的小さい。
このため、記録した情報を読み出したときに、情報の内容を判別することが難しくなる。
【0013】
さらに、イオン導電体の光学ギャップ以上のエネルギーを有する光を照射する、或いは熱を加えることによって、金属をイオン導電体中に拡散させて固溶させる製造方法は、製造工程を煩雑にしてしまう。
【0014】
上述した問題の解決のために、本発明においては、情報の記録及び読み出しを容易に行うことができ、比較的簡単な製造方法で容易に製造することができる半導体記憶素子及びこれを用いた半導体記憶装置を提供するものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体記憶素子は、第1の電極及び第2の電極の間に、アモルファス薄膜が挟まれて構成され、第1の電極及び第2の電極の一方の電極のみがAg又はCuを含み、アモルファス薄膜は、Ag又はCuを含まず、Geと、S,Se,Te,Sbから選ばれる1つ以上の元素とから成り、Ag又はCuが含まれた電極側が正になるように正電圧を印加することにより、電極からAg又はCuがイオン化して、アモルファス薄膜内を拡散して、アモルファス薄膜の抵抗が低くなるので、情報を記録することができ、情報を記録した状態において、Ag又はCuが含まれた電極側が負になるように負電圧を印加することにより、Ag又はCuがイオン化してアモルファス薄膜内を移動して電極側に戻り、アモルファス薄膜の抵抗が高くなり、記録した情報を消去することができ、アモルファス薄膜が相変化しないような条件で、情報の記録及び消去が行われるものである。
【0016】
本発明の半導体記憶装置は、第1の電極及び第2の電極の間に、アモルファス薄膜が挟まれて構成され、第1の電極及び第2の電極の一方の電極のみがAg又はCuを含み、アモルファス薄膜は、Ag又はCuを含まず、Geと、S,Se,Te,Sbから選ばれる1つ以上の元素とから成り、Ag又はCuが含まれた電極側が正になるように正電圧を印加することにより、電極からAg又はCuがイオン化して、アモルファス薄膜内を拡散して、アモルファス薄膜の抵抗が低くなるので、情報を記録することができ、情報を記録した状態において、Ag又はCuが含まれた電極側が負になるように負電圧を印加することにより、Ag又はCuがイオン化してアモルファス薄膜内を移動して電極側に戻り、アモルファス薄膜の抵抗が高くなり、記録した情報を消去することができ、アモルファス薄膜が相変化しないような条件で、情報の記録及び消去が行われる半導体記憶素子と、第1の電極側に接続された配線と、第2の電極側に接続された配線とを有し、半導体記憶素子が多数配置されて成るものである。
【0017】
上述の本発明の半導体記憶素子の構成によれば、第1の電極及び第2の電極の間にアモルファス薄膜が挟まれ、第1の電極及び第2の電極の一方の電極のみがAg又はCuを含み、アモルファス薄膜は、Ag又はCuを含まず、Geと、S,Se,Te,Sbから選ばれる1つ以上の元素とから成ることにより、電極に含まれるAg又はCuがイオンとしてアモルファス薄膜中へ拡散することを利用して情報を記憶することが可能になる。
【0018】
具体的には、Ag又はCuを含む一方の電極側に正電位を印加して素子に正電圧をかけると、電極に含まれるAg又はCuがイオン化してアモルファス薄膜中に拡散し、アモルファス薄膜内の他方の電極側の部分で電子と結合して析出することにより、アモルファス薄膜の抵抗が低くなり、素子の抵抗も低くなるので、これにより情報の記録を行うことが可能になる。そして、この状態から、Ag又はCuを含む一方の電極側に負電位を印加して素子に負電圧をかけると、他方の電極側に析出していたAg又はCuが再びイオン化して、一方の電極側に戻ることにより、アモルファス薄膜の抵抗が元の高い状態に戻り、素子の抵抗も高くなるので、これにより記録した情報の消去を行うことが可能になる。
【0019】
そして、記録する前のアモルファス薄膜に、イオン化するAg又はCuを含めないように構成することにより、記録に要する電流を小さくすることができ、抵抗変化を大きくすることができる。また、記録に要する時間も短くすることができる。
【0020】
上述の本発明の半導体記憶装置の構成によれば、上述の本発明の半導体記憶素子と、第1の電極側に接続された配線と、第2の電極側に接続された配線とを有し、半導体記憶素子が多数配置されて成ることにより、半導体記憶素子に配線から電流を流して、情報の記録や情報の消去を行うことができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体記憶素子は、第1の電極及び第2の電極の間に、アモルファス薄膜が挟まれて構成され、第1の電極及び第2の電極の一方の電極のみがAg又はCuを含み、アモルファス薄膜は、Ag又はCuを含まず、Geと、S,Se,Te,Sbから選ばれる1つ以上の元素とから成り、Ag又はCuが含まれた電極側が正になるように正電圧を印加することにより、電極からAg又はCuがイオン化して、アモルファス薄膜内を拡散して、アモルファス薄膜の抵抗が低くなるので、情報を記録することができ、情報を記録した状態において、Ag又はCuが含まれた電極側が負になるように負電圧を印加することにより、Ag又はCuがイオン化してアモルファス薄膜内を移動して電極側に戻り、アモルファス薄膜の抵抗が高くなり、記録した情報を消去することができ、アモルファス薄膜が相変化しないような条件で、情報の記録及び消去が行われるものである。
【0022】
また、上記本発明の半導体記憶素子において、Ag又はCuを含む電極が、この電極に含まれるAg又はCuよりもイオン化した場合の価数が大きい元素から成る電極層にアモルファス薄膜とは反対の側で接続されている構成を可能とする。
【0023】
また、上記本発明の半導体記憶素子において、Ag又はCuを含む電極が、TiW,Ti,Wのいずれかから成る電極層にアモルファス薄膜とは反対の側で接続されている構成を可能とする。
【0024】
また、上記本発明の半導体記憶素子において、アモルファス薄膜が、Geと、S,Se,Te,Sbから選ばれる1つ以上の元素と、さらにSiとから成る構成を可能とする。
【0025】
図1は、本発明の一実施の形態として、半導体記憶素子の概略構成図(断面図)を示す。
この半導体記憶素子10は、高電気伝導度の基板1、例えばP型の高濃度の不純物がドープされた(P++の)シリコン基板上に、下部電極2が形成され、この下部電極2上の絶縁膜3に形成された開口を通じて下部電極2に接続するように、アモルファス薄膜4、上部電極5、電極層6、導電層7の積層膜が形成されて構成されている。
【0026】
下部電極2には、例えばTiW,Ti,Wを用いることができる。
この下部電極2に、例えばTiWを用いた場合には、膜厚を例えば20nm〜100nmの範囲にすればよい。
【0027】
絶縁膜3には、例えばハードキュア処理されたフォトレジスト、半導体装置に一般的に用いられるSiO2やSi34、その他の材料例えばSiON,SiOF,Al23,Ta25,HfO2,ZrO2等の無機材料、フッ素系有機材料、芳香族系有機材料等を用いることができる。
【0028】
アモルファス薄膜4は、Ge(ゲルマニウム)と、S(イオウ),Se(セレン),Te(テルル),Sb(アンチモン)から選ばれる1つ以上の元素とから構成する。このうち、S,Se,Teはカルコゲナイトに属する。
例えば、GeSbTe,GeTe,GeSe,GeS,GeSbSe,GeSbS等を用いることができる。これらの材料は、Ag又はCuに対する、電気的特性や化学的特性が同様である。
また、必要に応じて、アモルファス薄膜4が、Si(シリコン)やその他の元素、例えばGd等の希土類元素、As,Bi等を含んでいてもよい。
このアモルファス薄膜4に、例えばGeSbTeを用いた場合には、膜厚を例えば10nm〜50nmの範囲にすればよい。
【0029】
上部電極5は、Ag又はCuを含んで構成する。
例えばアモルファス薄膜4の組成にAg又はCuを加えた組成の膜、Ag膜、Ag合金膜、Cu膜、Cu合金膜等を用いて上部電極5を構成することができる。
この上部電極5に、例えばGeSbTeAgを用いた場合には、膜厚を例えば10nm〜30nmにすればよい。また、例えばAgを用いた場合には、膜厚を例えば3nm〜20nmにすればよい。
【0030】
上部電極5上に接続された電極層6には、上部電極5に含まれていたAg又はCuが含まれていない材料を用いる。
また、上部電極5に含まれていたAg又はCuよりもイオン化したときの価数が大きい元素(例えば下部電極2に用いたTiやW等)により電極層6を構成する。
例えば、下部電極2に用いたTiW,Ti,W等を電極層6にも用いることができる。
この電極層6にTiWを用いた場合には、膜厚を例えば20nm〜100nmにすればよい。
【0031】
導電層7は、図示しない配線層と電極層6とを良好に低いコンタクト抵抗で接続するものである。
例えば電極層6にTiWを用いたときには、導電層7にAlSiを用いることが考えられる。
この導電層7にAlSiを用いた場合には、膜厚を例えば100nm〜200nmにすればよい。
【0032】
なお、導電層7が半導体記憶素子10に接続される配線層を兼ねて、配線層が直接電極層6に接続される構成も可能である。
【0033】
本実施の形態の半導体記憶素子10は、次のように動作させて、情報の記憶を行うことができる。
【0034】
まず、Ag又はCuが含まれた上部電極5に正電位(+電位)を印加して、上部電圧5側が正になるように、半導体記憶素子10に対して正電圧を印加する。これにより、上部電極5からAg又はCuがイオン化して、アモルファス薄膜4内を拡散していき、下部電極2側で電子と結合して析出する。
すると、アモルファス薄膜4内にAg又はCuが増えて、アモルファス薄膜4の抵抗が低くなる。アモルファス薄膜4以外の各層は元々抵抗が低いので、アモルファス薄膜4の抵抗を低くすることにより、半導体記憶素子10全体の抵抗も低くすることができる。
【0035】
その後、正電圧を除去して、半導体記憶素子10にかかる電圧をなくすと、抵抗が低くなった状態で保持される。これにより、情報を記録することが可能になる。
【0036】
一方、記録した情報を消去するときには、Ag又はCuが含まれた上部電極5に負電位(−電位)を印加して、上部電極5側が負になるように、半導体記憶素子10に対して負電圧を印加する。これにより、下部電極2側で析出していたAg又はCuがイオン化してアモルファス薄膜4内を移動して、上部電極5側で元に戻る。
すると、アモルファス薄膜4内からAg又はCuが減って、アモルファス薄膜4の抵抗が高くなる。アモルファス薄膜4以外の各層は元々抵抗が低いので、アモルファス薄膜4の抵抗を高くすることにより、半導体記憶素子10全体の抵抗も高くすることができる。
その後、負電圧を除去して、半導体記憶素子10にかかる電圧をなくすと、抵抗が高くなった状態で保持される。これにより、記録された情報を消去することが可能になる。
【0037】
このような過程を繰り返すことにより、半導体記憶素子10に情報の記録(書き込み)と記録された情報の消去を繰り返し行うことができる。
【0038】
そして、例えば、抵抗の高い状態を「0」の情報に、抵抗の低い状態を「1」の情報に、それぞれ対応させると、正電圧の印加による情報の記録過程で「0」から「1」に変え、負電圧の印加による情報の消去過程で「1」から「0」に変えることができる。
【0039】
なお、上述の情報の記録過程及び情報の消去過程において、アモルファス薄膜4はアモルファス(非晶質)状態のままであり、相変化して結晶質になることはない。
言い換えれば、アモルファス薄膜4相変化させないような電圧条件で、情報の記録及び消去を行うようにする。
【0040】
上述の実施の形態の半導体記憶素子10の構成によれば、アモルファス薄膜4がGeと、S,Se,Te,Sbから選ばれる1つ以上の元素とから構成され、上部電極5がAg又はCuを含むことにより、上部電極5からAg又はCuをイオンとしてアモルファス薄膜4内に拡散させ移動させることにより、情報の記憶を行うことができる。
そして、半導体記憶素子10の抵抗の変化、特にアモルファス薄膜4の抵抗の変化を利用して情報の記録を行っているため、半導体記憶素子10を微細化していった場合にも、情報の記録や記録した情報の保持が容易になる。
【0041】
また、アモルファス薄膜4がイオンとなるAg又はCuを含んでいないため、情報を記録する前の状態や情報を消去した状態では、Ag又はCuは上部電極5とアモルファス薄膜4との界面付近に集まっており、アモルファス薄膜4内部にAg又はCuがほとんど拡散していないので、アモルファス薄膜4の抵抗を高くすることができる。
これにより、情報を記録する前の状態や情報を消去した状態では素子10の抵抗を高くすることができ、情報を記録した状態における低い抵抗と比較して、抵抗の変化を大きくすることができる。
従って、記録された情報の読み出し・判別が容易になる。
【0042】
さらに、記録に必要な電流も小さくすることができる。これは、アモルファス薄膜4中にAg又はCuが余分に存在していないため、Ag又はCuのイオンの移動がスムーズに行われるからである、とも考えられる。記録に必要な電流を小さくすることができるので、消費電力を低減することができる。
また、記録に要する時間も短くすることができる。
【0043】
また、本実施の形態の半導体記憶素子10によれば、下部電極2、アモルファス薄膜4、上部電極5、電極層6、導電層7を、いずれもスパッタリングが可能な材料で構成することが可能になる。各層の材料に適応した組成からなるターゲットを用いて、スパッタリングを行えばよい。
これにより、高温による熱処理や光照射等の特別な工程(電極から金属を拡散させる工程)を必要としない。
また、同一のスパッタリング装置内で、ターゲットを交換することにより、連続して成膜することも可能である。
即ち、通常のMOS論理回路の製造プロセスに用いられる材料や製造方法(電極材料のスパッタリングによる成膜、プラズマやRIE等の通常のエッチング工程等)により、半導体記憶素子を製造することが可能である。
従って、比較的簡単な方法で、容易に半導体記憶素子10を製造することができる。
【0044】
図1の半導体記憶素子10は、例えば次のようにして製造することができる。
まず、電気伝導度の高い基板1、例えば高濃度のP型の不純物がドープされたシリコン基板上に、下部電極2例えばTiW膜を堆積する。
次に、下部電極2を覆って絶縁膜3を形成し、その後下部電極2上の絶縁膜3に開口を形成する。
【0045】
次に、下部電極2の表面の酸化した表面のエッチングを行い、薄い酸化膜皮膜を除去し電気的に良好な表面を得る。
その後に、例えばマグネトロンスパッタリング装置によって、アモルファス薄膜4例えばGeSbTe膜を成膜する。
次に、例えばマグネトロンスパッタリング装置によって、上部電極5例えばGeSbTeAg膜又はAg膜を成膜する。
続いて、例えばマグネトロンスパッタリング装置によって、電極層6例えばTiW膜を成膜し、さらに導電層7例えばAlSi膜またはCu膜を成膜する。
【0046】
なお、これらアモルファス薄膜4、上部電極5、電極層6、導電層7は、材料を選定すれば、同一のマグネトロンスパッタリング装置を用いて、同一の真空状態に保持したままで、スパッタリングのターゲットを交換して、連続して成膜することも可能である。
【0047】
その後、これらアモルファス薄膜4、上部電極5、電極層6、導電層7を、例えばプラズマエッチング等により、パターニングする。プラズマエッチングの他には、イオンミリング、RIE(反応性イオンエッチング)等のエッチング方法を用いてパターニングを行うことができる。
【0048】
このようにして、図1に示した半導体記憶素子10を製造することができる。
【0049】
なお、上述の実施の形態の半導体記憶素子10では、上部電極5にAg又はCuを含み、下部電極2には含まない構成としたが、下部電極のみにAg又はCuを含む構成としてもよい。
下部電極にAg又はCuを含む構成としたときには、下部電極と基板との間に、図1の電極層6に相当する電極層(Ag又はCuよりもイオン化したときの価数の大きい元素から構成する)を設けることが好ましい。
【0050】
上述した実施の形態の半導体記憶素子10を、多数マトリクス状に配置することにより、半導体記憶装置(半導体メモリ装置)を構成することができる。
各半導体記憶素子10に対して、その下部電極2側に接続された配線と、その上部電極5側に接続された配線とを設け、例えばこれらの配線の交差点付近に各半導体記憶素子10が配置されるようにすればよい。
【0051】
そして、具体的には、例えば下部電極2を行方向のメモリセルに共通して形成し、導電層7に接続された配線を列方向のメモリセルに共通して形成し、電位を印加して電流を流す下部電極2と配線とを選択することにより、記録を行うべきメモリセルを選択して、このメモリセルの半導体記憶素子10に電流を流して、情報の記録や記録した情報の消去を行うことができる。
【0052】
上述した実施の形態の半導体記憶素子10は、容易に情報の記録や情報の読み出しを行うことができ、消費電力を低減し、記録に要する時間を短くすることができるものである。従って、この半導体記憶素子10を用いて半導体記憶装置を構成することにより、情報の記録や情報の読み出しを容易に行うことができ、半導体記憶装置全体の消費電力を低減すると共に、高速で動作する半導体記憶装置を構成することができる。
また、上述した実施の形態の半導体記憶素子10は、微細化していった場合にも、情報の記録や記録した情報の保持が容易になるため、半導体記憶装置の集積化(高密度化)や小型化を図ることができる。
さらに、上述した実施の形態の半導体記憶素子10が簡便な方法で容易に製造することが可能であるため、半導体記憶装置の製造コストの低減や製造歩留まりの構造を図ることができる。
【0053】
(実施例)
次に、上述した実施の形態の半導体記憶素子10を実際に作製して、特性を調べた。
【0054】
<実験1>
まず、電気伝導度の高い基板1、例えば高濃度のP型の不純物がドープされたシリコン基板上に、スパッタリングにより、下部電極2としてTiW膜を、100nmの膜厚で堆積した。
次に、下部電極2を覆ってフォトレジストを形成し、その後フォトリソグラフィにより、露光と現像を行って下部電極2上のフォトレジストに開口(スルーホール)を形成した。開口(スルーホール)の大きさは縦2μm、横2μmとした。
その後、真空中270℃においてアニールを行ってフォトレジストを変質させて、温度やエッチング等に対して安定なハードキュアレジストとして、絶縁膜3を形成した。なお、絶縁膜3にハードキュアレジストを用いたのは、実験上簡便に形成できるためであり、製品を製造する場合においては、他の材料(シリコン酸化膜等)を絶縁膜3に用いた方がよいことも考えられる。
その後、スルーホールにより露出した下部電極2の表面のエッチングを行い、薄い酸化膜皮膜を除去し、電気的に良好な表面を得た。
続いて、マグネトロンスパッタリング装置によって、アモルファス薄膜4としてGeSbTe膜を25nmの膜厚で成膜した。このGeSbTe膜の組成は、Ge22Sb22Te56(添字は原子%)とした。
さらに、同一のマグネトロンスパッタリング装置において、同一の真空を保ったまま、上部電極5としてGeSbTeAg膜を25nmの膜厚で成膜した。このGeSbTeAg膜の組成は、(Ge22Sb22Te5641Ag59(添字は原子%)とした。
さらに、同一のマグネトロンスパッタリング装置において、同一の真空を保ったまま、電極層6としてTiW膜を100nmの膜厚で成膜し、続いて導電層7としてAlSi膜を100nmの膜厚で成膜した。TiW膜及びAlSi膜の組成は、それぞれTi5050及びAl97Si3(添字は原子%)とした。
その後、フォトリソグラフィにより、プラズマエッチング装置を用いて、ハードキュアレジストから成る絶縁膜3上に堆積した、アモルファス薄膜4・上部電極5・電極層6・導電層7の各層を、50μm×50μmの大きさにパターニングを行った。
このようにして、図1に示した構造の半導体記憶素子10を作製して、試料1の半導体記憶素子10とした。
【0055】
この試料1の半導体記憶素子10に対して、上部電極5側の導電層7に正電位(+電位)を加え、基板1の裏面側を接地電位(グランド電位)に接続した。
そして、導電層7に印加する正電位を0Vから増加させて、電流の変化を測定した。ただし、電流が0.5mAに達した所で電流リミッタが動作するように設定しておいて、それ以上は導電層7に印加する正電位即ち素子10に加わる電圧が増加しないように設定した。
また、電流が0.5mAに達して電流リミッタが動作した状態から、導電層7に印加する正電位を0Vまで減少させていき、電流の変化を測定した。
得られたI−V特性のグラフを図2Aに示す。
【0056】
図2Aより、初期は抵抗が高く、半導体記憶素子10がOFF状態にあり、電圧が増加することにより、ある閾値電圧Vth以上のところで急激に電流が増加する、即ち抵抗が低くなりON状態へと遷移することがわかる。これにより、情報が記録されることがわかる。
一方、その後、電圧を減少させることにより、電流も減少するが、電流の減少の方が大きく、少しずつ抵抗が高くなっていくものの、最終的には初期の抵抗値よりも充分低い抵抗値であり、ON状態が保たれ、記録された情報が保持されることがわかる。
この試料1の場合、電圧V=0.1Vの所での抵抗値は、OFF状態で約2MΩ、ON状態で約1kΩであった。
【0057】
また、図2Aの特性図にはないが、逆極性の電圧V、即ち上部電極5側の導電層7に負電位(−電位)を印加し、基板1の裏面側を接地電位(グランド電位)に接続して、導電層7にV=−1Vの負電位を印加した後に、導電層7の電位を0Vにすることにより、抵抗が初期のOFF状態の高抵抗の状態に戻ることが確認された。即ち半導体記憶素子10に記録した情報を、負電圧の印加により消去すできることがわかる。
【0058】
<実験2>
アモルファス薄膜4のGeSbTeにAgを添加して、特性を調べた。
まず、アモルファス薄膜4として、(Ge22Sb22Te5681Ag19(添字は原子%、以下同様とする)の組成のGeSbTeAg膜を成膜し、その他は試料1と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料2とした。
次に、アモルファス薄膜4として、(Ge22Sb22Te5670Ag30の組成のGeSbTeAg膜を成膜し、その他は試料1と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料3とした。
次に、アモルファス薄膜4として、(Ge22Sb22Te5658Ag42の組成のGeSbTeAg膜を成膜し、その他は試料1と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料4とした。
【0059】
これら試料2〜試料4の各半導体記憶素子のI−V特性を測定した。試料2の測定結果を図2Bに示し、試料3の測定結果を図3Cに示し、試料4の測定結果を図3Dに示す。
図2B、図3C、図3Dに示すように、銀Agの含有量が増加すると共に、電圧を増加させたときの閾値電圧Vthが大きくなっていき、また閾値電圧Vthを越した後のI−Vの傾きdI/dV即ち抵抗の変化割合が緩やかになってくることがわかる。
これは、抵抗が変化するメカニズムが、例えば、上部電極5に含有されるAgイオンの電界に負電極側への移動に伴い、局所的にAg濃度が高く抵抗の低い細い電流パスが形成されたものとすると、GeSbTeへのAgの添加によって、電流パスが形成される電圧が若干高くなり、かつ電流パスの形成速度が遅くなる、或いは多数本の電流パスが形成される電圧のバラツキが大きくなるためと考えることができる。
また、図3Cと図3D、即ち試料3及び試料4については、電流リミッタを0.5mAとした場合には、電流を0Vに戻したときに抵抗値も元に戻ってしまい、記録が保持できない、という結果となったため、電流リミッタの値を1mAに設定して測定した結果を示している。
さらに、記録前後での抵抗変化の割合は、図2Aの試料1では400倍であったのに対し、図2Bの試料2では80倍、図3Cの試料3及び図3Dの試料4では7倍となった。
即ち、記録時に閾値電圧以上の電圧を印加したときには、いずれの試料も比較的小さな抵抗になっているが、印加する電圧を減少させていくのに伴って再び抵抗が増加する割合が大きくなることに起因して、抵抗変化の割合が減少していることがわかる。
つまり、Agの含有量が増加することにより、記録されたON状態を保持することが困難になっていくと推測される。
【0060】
以上の結果より、アモルファス薄膜4のGeSbTeにAgをあらかじめ含有させることは、記録電圧や記録電流の増大を招き、これにより、記録電圧のバラツキ、或いは記録速度の低下の何れかの問題を生じること、さらには、抵抗変化量の割合の減少即ち記録を読み出したときの信号レベルの減少を来たすと共に、記録データの保持特性を弱めてしまうという問題を生じることが判った。
従って、アモルファス薄膜4には、上部電極5に含有させているAgやCuを含まないようにして半導体記憶素子10を作製することが望ましい。
【0061】
<実験3>
次に、アモルファス薄膜4のGeSbTe膜のGeの含有量を変えて、特性を調べた。
まず、下部電極2及び電極層6として、TiW膜の代わりに、Ti膜を膜厚100nmで成膜し、その他は試料1と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料5とした。
次に、アモルファス薄膜4として、Ge31Sb19Te50(添字は原子%、以下同様とする)の組成のGeSbTe膜を成膜し、その他は試料5と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料6とした。
次に、アモルファス薄膜4として、Ge38Sb17Te45の組成のGeSbTe膜を成膜し、その他は試料5と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料7とした。
次に、アモルファス薄膜4として、Ge49Sb15Te37の組成のGeSbTe膜を成膜し、その他は試料5と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料8とした。
【0062】
これら試料5〜試料8の各半導体記憶素子のI−V特性を測定した。試料5の測定結果を図4Aに示し、試料6の測定結果を図4Bに示し、試料7の測定結果を図5Cに示し、試料8の測定結果を図5Dに示す。
図4A〜図5Dに示すように、これらの広いGe組成範囲において、記録と記録の保持を正しく行うことができることが確認された。
なお、図5C及び図5Dから、Geの含有量が増えると、閾値電圧以上の電圧を印加しているときのdI/dVが緩やかになっていくことがわかる。メモリの記録特性から考えると、Geの含有量が少ないほど記録が容易になっていくが、Geの含有量を多くすると、半導体記憶素子の熱的安定性が向上するという利点もある。従って、必要な特性に応じて、Ge含有量を制御すればよい。
【0063】
<実験4>
次に、下部電極2及び電極層6の材料を変更して、特性を調べた。
下部電極2及び電極層6として、TiW膜の代わりに、W膜を膜厚100nmで成膜し、その他は試料1と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料9とした。
この試料9の半導体記憶素子のI−V特性を測定した。その測定結果を図6に示す。
図6より、図2A等と同様に、良好なI−V特性が得られ、容易に記録を行うことができることがわかる。
【0064】
また、下部電極2及び電極層6を、Ti5050以外の組成のTiW膜、Ti/TiWの積層膜、TiW/Tiの積層膜、TiW/Wの積層膜、W/TiWの積層膜に変えた試料をそれぞれ作製して測定を行ったが、試料1等と同様に良好なI−V特性が得られた。
さらに、導電層7をCu膜に代えた場合にも、同様に試料を作製して測定を行ったところ、試料1等と同様に良好なI−V特性が得られた。
【0065】
<実験5>
次にAgを含有する上部電極5として、GeSbTeAg膜の代わりにAg膜を用いて、特性を調べた。
上部電極5として、GeSbTeAg膜の代わりにAg膜を膜厚6nmで成膜し、その他は試料1と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料10とした。
この試料10の半導体記憶素子のI−V特性を測定した。その測定結果を図7に示す。
図7より、図2A等と同様に、良好なI−V特性が得られ、容易に記録を行うことができることがわかる。特に、図2Aと比較して、記録時のdI/dVが非常に急峻になっていることがわかる。
そして、図7の結果と、図2A〜図3Dの結果とを考慮すると、上部電極5に含有されるAgやCuの濃度と、アモルファス薄膜4に含有されるAgやCuの濃度との差が大きいほど、記録時のdI/dVが急峻で、良好な記録特性が得られることがわかる。
【0066】
なお、Ag膜の膜厚を変更して試料を作製し、同様の測定を行ったところ、膜厚が3nm以上であれば、ほぼ同様のI−V特性が得られた。
【0067】
<実験6>
アモルファス薄膜4に、イオン媒介となるAgやCuとは異なる不純物金属、具体的には希土類金属であるGdを添加して、特性を調べた。
まず、アモルファス薄膜4として、(Ge22Sb22Te5689Gd11(添字は原子%、以下同様とする)の組成のGeSbTeGd膜を成膜し、その他は試料1と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料11とした。
次に、アモルファス薄膜4として、(Ge22Sb22Te5682Gd18の組成のGeSbTeGd膜を成膜し、その他は試料1と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料12とした。
これら試料11及び試料12の各半導体記憶素子のI−V特性を測定した。試料11の測定結果を図8Aに示し、試料12の測定結果を図8Bに示す。
図8A及び図8Bに示すように、この場合も、記録と記録の保持を正しく行うことができることが確認された。
また、希土類元素Gdの添加によって、記録前の抵抗値が高くなり、1MΩ以上となり、さらに、高い温度下に経過された後にも、抵抗値が安定しているという効果があり、試料11及び試料12のいずれの試料も、270℃・1時間のアニールに対して、抵抗値がほとんど変化しなかった。
即ち、希土類元素の添加によって、結晶化温度が上昇し、アモルファス状態が安定に保たれているものと推測される。
また、希土類元素の添加によって、閾値電圧が増大するので、例えば、再生(読み出し)のときの電圧を高く設定したい場合等に有効である。
希土類元素は、最外殻電子構造が同じであるため、元素によらず電気的には同等の特性を有するので、Gdに限らず、La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Tb,Dy,Ho,Erのいずれの元素を用いても同様の効果が期待される・
【0068】
<実験7>
アモルファス薄膜4に、不純物元素、具体的にはSiを添加して、特性を調べた。
まず、アモルファス薄膜4として、(Ge22Sb22Te5693Si7(添字は原子%、以下同様とする)の組成のGeSbTeSi膜を成膜し、その他は試料1と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料13とした。
次に、アモルファス薄膜4として、(Ge22Sb22Te5685Si15の組成のGeSbTeSi膜を成膜し、その他は試料1と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料14とした。
次に、アモルファス薄膜4として、(Ge22Sb22Te5677Si23の組成のGeSbTeSi膜を成膜し、その他は試料1と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料15とした。
これら試料13〜試料15の各半導体記憶素子のI−V特性を測定した。試料13の測定結果を図9Aに示し、試料14の測定結果を図9Bに示し、試料15の測定結果を図9Cに示す。
図9A及び図9Bより、Siの添加量が15原子%程度以下までは、ほとんどI−V特性は変化せず、記録と記録の保持を正しく行うことができることが確認された。
これに対して、図9Cに示すように、Siの添加量が23原子%としたときには、閾値電圧が増大し、0.5mAでの記録は困難となり1mA程度の電流を要する。
なお、アモルファス薄膜4のGeSbTeにSiを添加することにより、熱的安定性が増すことが期待できる。これは、Si−Siの有する共有結合エネルギーが高いため、Si単体の融点が高く、Si−Ge合金組成でSiの組成が多いほど融点が上昇することから、GeSbTeにSiを添加したときにも、同様にSiの添加により共有結合性が高くなって融点の上昇、並びに結晶化温度の上昇等が期待されることに起因する。
【0069】
<実験8>
アモルファス薄膜4の膜厚を変更して、特性を調べた。
まず、下部電極2を膜厚20nmのTi膜とし、アモルファス薄膜4のGeSbTe膜の膜厚を14nmとして、その他は試料1と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料16とした。
次に、アモルファス薄膜4のGeSbTe膜の膜厚を25nmとして、その他は試料16と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料17とした。
なお、この試料17は、アモルファス薄膜4のGeSbTe膜の膜厚が試料1と同じである。
次に、アモルファス薄膜4のGeSbTe膜の膜厚を38nmとして、その他は試料16と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料18とした。
次に、アモルファス薄膜4のGeSbTe膜の膜厚を51nmとして、その他は試料16と同様にして半導体記憶素子を作製し、試料19とした。
【0070】
これら試料16〜試料19の各半導体記憶素子のI−V特性を測定した。試料16の測定結果を図10Aに示し、試料17の測定結果を図10Bに示し、試料18の測定結果を図11Cに示し、試料19の測定結果を図11Dに示す。
図10A〜図11Dに示すように、これらの広い膜厚範囲において、記録と記録の保持を正しく行うことができることが確認された。
なお、最も膜厚の薄い試料16(図10A)では、閾値電圧が約0.1Vと低くなっているが、その他は膜厚によってはそれほど閾値電圧が変化せず、いずれも約0.17Vとなっている。
【0071】
なお、上述の実施の形態の半導体記憶素子10では、基板1に導電率の高い高不純物濃度のシリコン基板を用いて、基板1の裏面側に接地電位(グランド電位)を印加したが、下部電極側に電圧を印加するための構成は、その他の構成も可能である。
例えば、基板表面に形成され、かつ、シリコン基板とは電気的に絶縁された電極を用いてもよい。
また、基板として、シリコン以外の半導体基板、或いは絶縁基板例えばガラスや樹脂から成る基板を用いてもよい。
【0072】
本発明の半導体記憶素子を用いて、半導体記憶素子を多数、例えば列状やマトリクス状に配列することにより、半導体記憶装置(半導体メモリ装置)を構成することができる。
また、各半導体記憶素子に、必要に応じて、素子の選択用のMOSトランジスタ或いはダイオードを接続してメモリセルを構成する。
さらに、配線を介して、センスアンプ、アドレスレコーダー、記録・消去・読み出し回路等に接続する。
【0073】
本発明の半導体記憶素子は、各種の半導体メモリ装置に適用することができる。例えば、一度だけ書き込みが可能な、いわゆるPROM(プログラマブルROM)、電気的に消去が可能なEEPROM(Electrically Erasable ROM)、或いは、高速に記録・消去・再生が可能な、いわゆるRAM(ランダムアクセスメモリ)等、いずれのメモリ形態でも適用することが可能である。
【0074】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【0075】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、半導体記憶素子への記録に要する電流を低減すると共に、記録の前後の素子の抵抗変化を大きくすることができる。
これにより、素子に情報を記録する際の消費電力を低減することができると共に、情報の読み出しを容易に行うことができる。
また、記録に要する時間も短くすることもできる。
【0076】
さらに、素子の抵抗の変化、特にアモルファス薄膜の抵抗の変化を利用して情報の記録を行っているため、素子を微細化していった場合にも、情報の記録や記録した情報の保持が容易になる利点を有している。
【0077】
従って、本発明により、情報の記録及び情報の読み出しを容易に行うことができ、消費電力が低減され、高速に動作する半導体記憶装置を構成することができる。また、半導体記憶装置の集積化(高密度化)や小型化を図ることができる。
【0078】
さらに、本発明の半導体記憶素子は、通常のMOS論理回路の製造プロセスに用いられる材料や製造方法により、製造することが可能であり、即ち例えば高温熱処理、光照射等特別な工程を必要としないで製造することが可能になる。
即ち、比較的簡単な方法により、容易に半導体記憶素子を製造することができる。
従って、本発明により、半導体記憶素子及び半導体記憶装置を安いコストで製造することができ、安価な半導体記憶装置を提供することが可能になる。また、半導体記憶装置の製造歩留まりの向上を図ることも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体記憶素子の一実施の形態の概略構成図(断面図)である。
【図2】A 図1の半導体記憶素子の試料のI−V特性の測定結果を示す図である。B アモルファス薄膜にAgを添加した試料のI−V特性の測定結果を示す図である。
【図3】C、D アモルファス薄膜にAgを添加した試料のI−V特性の測定結果を示す図である。
【図4】A、B アモルファス薄膜のGeの含有量を変化させた試料のI−V特性の測定結果を示す図である。
【図5】C、D アモルファス薄膜のGeの含有量を変化させた試料のI−V特性の測定結果を示す図である。
【図6】下部電極及び電極層にWを用いた試料のI−V特性の測定結果を示す図である。
【図7】アモルファス薄膜をAg膜とした試料のI−V特性の測定結果を示す図である。
【図8】A、B アモルファス薄膜にGdを添加した試料のI−V特性の測定結果を示す図である。
【図9】A〜C アモルファス薄膜にSiを添加した試料のI−V特性の測定結果を示す図である。
【図10】A、B アモルファス薄膜のGeSbTe膜の膜厚を変化させた試料のI−V特性の測定結果を示す図である。
【図11】C、D アモルファス薄膜のGeSbTe膜の膜厚を変化させた試料のI−V特性の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
1 基板、2 下部電極、4 アモルファス薄膜、5 上部電極、6 電極層、7 導電層、10 半導体記憶素子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory element capable of recording information and a semiconductor memory device using the semiconductor memory element.
[0002]
[Prior art]
In information equipment such as a computer, a high-speed and high-density DRAM is widely used as a random access memory.
[0003]
However, the manufacturing cost of DRAM is higher than that of a general logic circuit LSI or signal processing used in electronic equipment, and thus the manufacturing cost is high.
[0004]
The DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, and it is necessary to frequently perform a refresh operation, that is, an operation of reading, amplifying, and rewriting the written information (data).
Thus, for example, FeRAM (ferroelectric memory), MRAM (magnetic memory element), and the like have been proposed as nonvolatile memories whose information does not disappear even when the power is turned off.
[0005]
In the case of these memories, it is possible to keep the written information for a long time without supplying power.
In addition, in the case of these memories, it is considered that by making them non-volatile, the refresh operation is unnecessary and the power consumption can be reduced accordingly.
[0006]
However, in the above-described nonvolatile memory, it is difficult to secure characteristics as a memory element as the memory elements constituting each memory cell are reduced.
For this reason, it is difficult to reduce the element to the limit of the design rule and the limit of the manufacturing process.
[0007]
Therefore, a new type of storage element has been proposed as a memory having a configuration suitable for downsizing.
This memory element has a structure in which an ionic conductor containing a certain metal is sandwiched between two electrodes.
And by including the metal contained in the ionic conductor in one of the two electrodes, when a voltage is applied between the two electrodes, the metal contained in the electrode becomes an ion in the ionic conductor. The diffusion changes the electrical characteristics such as resistance or capacitance of the ionic conductor.
A memory device can be configured using this characteristic (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
[0008]
Specifically, the ionic conductor is made of a solid solution of chalcogenide and metal, and more specifically, made of a material in which Ag, Cu, or Zn is dissolved in AsS, GeS, GeSe, and one of the two electrodes. One electrode contains Ag, Cu, or Zn (see Patent Document 1).
[0009]
In addition, as a method for manufacturing this memory element, an ion conductor made of chalcogenide is deposited on a substrate, and then an electrode containing a metal is deposited on the ion conductor, so that light having an energy larger than the optical gap of the ion conductor is obtained. There has been proposed a method of forming an ionic conductor containing a metal by a method in which a metal is diffused into an ionic conductor to form a solid solution by irradiating or heat.
[0010]
[Patent Document 1]
Special Table 2002-536840 Publication
[Non-Patent Document 1]
Nikkei Electronics 2003.1.20 (page 104)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the memory element having the above-described configuration, an ionic conductor is formed by a solid solution of chalcogenide and metal, and metal ions, for example, Ag, Cu, Zn, are previously dissolved, thereby diffusing metal ions. A large amount of current is required for recording.
[0012]
Also, the amount of change in resistance value before and after recording is relatively small.
For this reason, when the recorded information is read, it becomes difficult to determine the contents of the information.
[0013]
Furthermore, the manufacturing method in which the metal is diffused into the ionic conductor to be dissolved by irradiating light having energy larger than the optical gap of the ionic conductor or applying heat complicates the manufacturing process.
[0014]
In order to solve the above-described problems, in the present invention, a semiconductor memory element that can easily record and read information and can be easily manufactured by a relatively simple manufacturing method, and a semiconductor using the same A storage device is provided.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor memory element of the present invention is configured by sandwiching an amorphous thin film between a first electrode and a second electrode, and the first electrode and the second electrode Only one of the electrodes Contains Ag or Cu, and the amorphous thin film is Does not contain Ag or Cu, Ge and one or more elements selected from S, Se, Te, and Sb By applying a positive voltage so that the electrode side containing Ag or Cu becomes positive, Ag or Cu is ionized from the electrode, diffuses in the amorphous thin film, and the resistance of the amorphous thin film decreases. Therefore, it is possible to record information, and in a state where the information is recorded, by applying a negative voltage so that the electrode side containing Ag or Cu becomes negative, Ag or Cu is ionized to pass through the amorphous thin film. Moves back to the electrode side, the resistance of the amorphous thin film increases, and the recorded information can be erased, and the information is recorded and erased under the condition that the amorphous thin film does not change phase. Is.
[0016]
The semiconductor memory device of the present invention is configured by sandwiching an amorphous thin film between a first electrode and a second electrode, and the first electrode and the second electrode Only one of the electrodes Contains Ag or Cu, and the amorphous thin film is Does not contain Ag or Cu, Ge and one or more elements selected from S, Se, Te, and Sb By applying a positive voltage so that the electrode side containing Ag or Cu becomes positive, Ag or Cu is ionized from the electrode, diffuses in the amorphous thin film, and the resistance of the amorphous thin film decreases. Therefore, it is possible to record information, and in a state where the information is recorded, by applying a negative voltage so that the electrode side containing Ag or Cu becomes negative, Ag or Cu is ionized to pass through the amorphous thin film. Moves back to the electrode side, the resistance of the amorphous thin film increases, and the recorded information can be erased, and the information is recorded and erased under the condition that the amorphous thin film does not change phase. The semiconductor memory element includes a wiring connected to the first electrode side and a wiring connected to the second electrode side, and a large number of semiconductor memory elements are arranged.
[0017]
According to the configuration of the semiconductor memory element of the present invention described above, the amorphous thin film is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the first electrode and the second electrode Only one of the electrodes Contains Ag or Cu, and the amorphous thin film is Does not contain Ag or Cu, By storing Ge or one or more elements selected from S, Se, Te, and Sb, Ag or Cu contained in the electrode is diffused as ions into the amorphous thin film to store information. Is possible.
[0018]
Specifically, when a positive potential is applied to one of the electrodes containing Ag or Cu and a positive voltage is applied to the element, Ag or Cu contained in the electrode is ionized and diffuses into the amorphous thin film. By bonding with electrons at the other electrode side and depositing, the resistance of the amorphous thin film is lowered, and the resistance of the element is also lowered, so that information can be recorded. From this state, when a negative potential is applied to one electrode side containing Ag or Cu and a negative voltage is applied to the element, Ag or Cu deposited on the other electrode side is ionized again, By returning to the electrode side, the resistance of the amorphous thin film returns to the original high state, and the resistance of the element also increases, so that the recorded information can be erased.
[0019]
By configuring the amorphous thin film before recording not to contain ionized Ag or Cu, the current required for recording can be reduced and the resistance change can be increased. Further, the time required for recording can be shortened.
[0020]
According to the configuration of the semiconductor memory device of the present invention described above, the semiconductor memory element of the present invention described above, the wiring connected to the first electrode side, and the wiring connected to the second electrode side are included. By arranging a large number of semiconductor memory elements, it is possible to record information or erase information by passing a current from the wiring to the semiconductor memory elements.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The semiconductor memory element of the present invention is configured by sandwiching an amorphous thin film between a first electrode and a second electrode, and the first electrode and the second electrode Only one of the electrodes Contains Ag or Cu, and the amorphous thin film is Does not contain Ag or Cu, Ge and one or more elements selected from S, Se, Te, and Sb By applying a positive voltage so that the electrode side containing Ag or Cu becomes positive, Ag or Cu is ionized from the electrode, diffuses in the amorphous thin film, and the resistance of the amorphous thin film decreases. Therefore, it is possible to record information, and in a state where the information is recorded, by applying a negative voltage so that the electrode side containing Ag or Cu becomes negative, Ag or Cu is ionized to pass through the amorphous thin film. Moves back to the electrode side, the resistance of the amorphous thin film increases, and the recorded information can be erased, and the information is recorded and erased under the condition that the amorphous thin film does not change phase. Is.
[0022]
In the semiconductor memory element of the present invention, an electrode layer containing an element having a higher valence when the electrode containing Ag or Cu is ionized than Ag or Cu contained in the electrode. On the opposite side of the amorphous thin film Allows connected configuration.
[0023]
In the semiconductor memory element of the present invention, Electrodes containing Ag or Cu Is an electrode layer made of any one of TiW, Ti, and W. On the opposite side of the amorphous thin film Allows connected configuration.
[0024]
In the semiconductor memory element of the present invention, the amorphous thin film can be configured to include Ge, one or more elements selected from S, Se, Te, and Sb, and Si.
[0025]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a semiconductor memory element as an embodiment of the present invention.
This semiconductor memory element 10 is doped with a substrate 1 having a high electrical conductivity, for example, a P-type high concentration impurity (P ++ The lower electrode 2 is formed on the silicon substrate, and the amorphous thin film 4, the upper electrode 5, the electrode layer 6, A laminated film of conductive layers 7 is formed.
[0026]
For the lower electrode 2, for example, TiW, Ti, W can be used.
When TiW is used for the lower electrode 2, for example, the film thickness may be in the range of 20 nm to 100 nm.
[0027]
The insulating film 3 may be, for example, a hard-cured photoresist or SiO generally used in semiconductor devices. 2 And Si Three N Four Other materials such as SiON, SiOF, Al 2 O Three , Ta 2 O Five , HfO 2 , ZrO 2 Inorganic materials such as fluorinated organic materials, aromatic organic materials, and the like can be used.
[0028]
The amorphous thin film 4 is composed of Ge (germanium) and one or more elements selected from S (sulfur), Se (selenium), Te (tellurium), and Sb (antimony). Among these, S, Se, and Te belong to chalcogenite.
For example, GeSbTe, GeTe, GeSe, GeS, GeSbSe, GeSbS, etc. can be used. These materials have similar electrical and chemical properties to Ag or Cu.
Further, if necessary, the amorphous thin film 4 may contain Si (silicon) or other elements, for example, rare earth elements such as Gd, As, Bi, and the like.
If, for example, GeSbTe is used for the amorphous thin film 4, the film thickness may be in the range of 10 nm to 50 nm, for example.
[0029]
The upper electrode 5 includes Ag or Cu.
For example, the upper electrode 5 can be configured using a film having a composition obtained by adding Ag or Cu to the composition of the amorphous thin film 4, an Ag film, an Ag alloy film, a Cu film, a Cu alloy film, or the like.
When, for example, GeSbTeAg is used for the upper electrode 5, the film thickness may be set to 10 nm to 30 nm, for example. For example, when Ag is used, the film thickness may be 3 nm to 20 nm, for example.
[0030]
The electrode layer 6 connected on the upper electrode 5 is made of a material that does not contain Ag or Cu contained in the upper electrode 5.
The electrode layer 6 is composed of an element having a higher valence when ionized than Ag or Cu contained in the upper electrode 5 (for example, Ti or W used for the lower electrode 2).
For example, TiW, Ti, W or the like used for the lower electrode 2 can be used for the electrode layer 6.
When TiW is used for the electrode layer 6, the film thickness may be set to 20 nm to 100 nm, for example.
[0031]
The conductive layer 7 connects a wiring layer (not shown) and the electrode layer 6 with a low contact resistance.
For example, when TiW is used for the electrode layer 6, it is conceivable to use AlSi for the conductive layer 7.
When AlSi is used for the conductive layer 7, the film thickness may be, for example, 100 nm to 200 nm.
[0032]
A configuration in which the conductive layer 7 also serves as a wiring layer connected to the semiconductor memory element 10 and the wiring layer is directly connected to the electrode layer 6 is also possible.
[0033]
The semiconductor memory element 10 of the present embodiment can store information by operating as follows.
[0034]
First, a positive potential (+ potential) is applied to the upper electrode 5 containing Ag or Cu, and a positive voltage is applied to the semiconductor memory element 10 so that the upper voltage 5 side becomes positive. As a result, Ag or Cu is ionized from the upper electrode 5 and diffuses in the amorphous thin film 4, and is combined with electrons on the lower electrode 2 side and deposited.
Then, Ag or Cu increases in the amorphous thin film 4, and the resistance of the amorphous thin film 4 is lowered. Each layer other than the amorphous thin film 4 originally has a low resistance. Therefore, by reducing the resistance of the amorphous thin film 4, the resistance of the entire semiconductor memory element 10 can also be reduced.
[0035]
Thereafter, when the positive voltage is removed and the voltage applied to the semiconductor memory element 10 is eliminated, the resistance is kept low. This makes it possible to record information.
[0036]
On the other hand, when erasing the recorded information, a negative potential (−potential) is applied to the upper electrode 5 containing Ag or Cu so that the upper electrode 5 side becomes negative. Apply voltage. Thereby, Ag or Cu deposited on the lower electrode 2 side is ionized and moves in the amorphous thin film 4 and returns to the original state on the upper electrode 5 side.
Then, Ag or Cu decreases from within the amorphous thin film 4, and the resistance of the amorphous thin film 4 increases. Each layer other than the amorphous thin film 4 originally has a low resistance. Therefore, by increasing the resistance of the amorphous thin film 4, the resistance of the entire semiconductor memory element 10 can be increased.
After that, when the negative voltage is removed and the voltage applied to the semiconductor memory element 10 is eliminated, the resistance is maintained high. As a result, the recorded information can be erased.
[0037]
By repeating such a process, it is possible to repeatedly record (write) information on the semiconductor memory element 10 and erase the recorded information.
[0038]
For example, when the high resistance state corresponds to the information “0” and the low resistance state corresponds to the information “1”, “0” to “1” in the information recording process by applying a positive voltage. Instead, it can be changed from “1” to “0” in the process of erasing information by applying a negative voltage.
[0039]
In the above-described information recording process and information erasing process, the amorphous thin film 4 remains in an amorphous state and does not change into a crystalline state due to a phase change.
In other words, the amorphous thin film 4 The Information is recorded and erased under a voltage condition that does not cause a phase change.
[0040]
According to the configuration of the semiconductor memory element 10 of the above-described embodiment, the amorphous thin film 4 is composed of Ge and one or more elements selected from S, Se, Te, and Sb, and the upper electrode 5 is composed of Ag or Cu. By containing, it is possible to store information by diffusing and moving Ag or Cu as ions from the upper electrode 5 into the amorphous thin film 4.
Since information is recorded by utilizing the change in resistance of the semiconductor memory element 10, particularly the change in resistance of the amorphous thin film 4, even when the semiconductor memory element 10 is miniaturized, information recording or It becomes easy to hold the recorded information.
[0041]
In addition, since the amorphous thin film 4 does not contain Ag or Cu that becomes ions, Ag or Cu collects in the vicinity of the interface between the upper electrode 5 and the amorphous thin film 4 in a state before recording information or a state where information is erased. In addition, since Ag or Cu hardly diffuses inside the amorphous thin film 4, the resistance of the amorphous thin film 4 can be increased.
Thereby, the resistance of the element 10 can be increased in a state before information is recorded or in a state where the information is erased, and a change in resistance can be increased as compared with a low resistance in a state where information is recorded. .
Therefore, it becomes easy to read and discriminate the recorded information.
[0042]
Furthermore, the current required for recording can be reduced. This is also considered to be because Ag or Cu ions move smoothly because there is no extra Ag or Cu in the amorphous thin film 4. Since the current required for recording can be reduced, power consumption can be reduced.
Further, the time required for recording can be shortened.
[0043]
In addition, according to the semiconductor memory element 10 of the present embodiment, the lower electrode 2, the amorphous thin film 4, the upper electrode 5, the electrode layer 6, and the conductive layer 7 can all be made of a material that can be sputtered. Become. Sputtering may be performed using a target having a composition suitable for the material of each layer.
This eliminates the need for a special process (a process of diffusing metal from the electrode) such as heat treatment or light irradiation at a high temperature.
In addition, it is possible to continuously form a film by exchanging the target in the same sputtering apparatus.
That is, it is possible to manufacture a semiconductor memory element by a material and a manufacturing method used in a normal MOS logic circuit manufacturing process (film formation by sputtering of electrode material, normal etching process such as plasma or RIE). .
Therefore, the semiconductor memory element 10 can be easily manufactured by a relatively simple method.
[0044]
The semiconductor memory element 10 of FIG. 1 can be manufactured as follows, for example.
First, a lower electrode 2 such as a TiW film is deposited on a substrate 1 having a high electrical conductivity, such as a silicon substrate doped with a high concentration of P-type impurities.
Next, an insulating film 3 is formed so as to cover the lower electrode 2, and then an opening is formed in the insulating film 3 on the lower electrode 2.
[0045]
Next, the oxidized surface of the lower electrode 2 is etched to remove the thin oxide film and obtain an electrically good surface.
Thereafter, an amorphous thin film 4 such as a GeSbTe film is formed by, for example, a magnetron sputtering apparatus.
Next, the upper electrode 5 such as a GeSbTeAg film or an Ag film is formed by a magnetron sputtering apparatus, for example.
Subsequently, an electrode layer 6 such as a TiW film is formed by a magnetron sputtering apparatus, for example, and a conductive layer 7 such as an AlSi film or a Cu film is further formed.
[0046]
The amorphous thin film 4, the upper electrode 5, the electrode layer 6, and the conductive layer 7 can be replaced by changing the sputtering target while keeping the same vacuum state by using the same magnetron sputtering apparatus if materials are selected. Thus, it is possible to continuously form a film.
[0047]
Thereafter, the amorphous thin film 4, the upper electrode 5, the electrode layer 6, and the conductive layer 7 are patterned by, for example, plasma etching. Besides plasma etching, patterning can be performed using an etching method such as ion milling or RIE (reactive ion etching).
[0048]
In this way, the semiconductor memory element 10 shown in FIG. 1 can be manufactured.
[0049]
In the semiconductor memory element 10 of the above-described embodiment, the upper electrode 5 includes Ag or Cu and the lower electrode 2 does not include, but only the lower electrode includes Ag or Cu. Configuration and May be.
When the lower electrode includes Ag or Cu, an electrode layer corresponding to the electrode layer 6 in FIG. 1 (consisting of an element having a higher valence when ionized than Ag or Cu) is provided between the lower electrode and the substrate. Is preferably provided.
[0050]
A semiconductor memory device (semiconductor memory device) can be configured by arranging a large number of the semiconductor memory elements 10 of the above-described embodiment in a matrix.
For each semiconductor memory element 10, a wiring connected to the lower electrode 2 side and a wiring connected to the upper electrode 5 side are provided. For example, each semiconductor memory element 10 is arranged near the intersection of these wirings. What should I do?
[0051]
Specifically, for example, the lower electrode 2 is formed in common in the memory cell in the row direction, the wiring connected to the conductive layer 7 is formed in common in the memory cell in the column direction, and a potential is applied. A memory cell to be recorded is selected by selecting the lower electrode 2 and the wiring through which a current flows, and a current is passed through the semiconductor memory element 10 of this memory cell to record information and erase the recorded information. It can be carried out.
[0052]
The semiconductor memory element 10 according to the above-described embodiment can easily record information and read information, reduce power consumption, and shorten the time required for recording. Therefore, by configuring the semiconductor memory device using the semiconductor memory element 10, information can be easily recorded and read out, and the power consumption of the entire semiconductor memory device can be reduced and the semiconductor memory device can operate at high speed. A semiconductor memory device can be configured.
Further, even when the semiconductor memory element 10 of the above-described embodiment is miniaturized, it becomes easy to record information and hold the recorded information. Miniaturization can be achieved.
Furthermore, since the semiconductor memory element 10 of the above-described embodiment can be easily manufactured by a simple method, the manufacturing cost of the semiconductor memory device can be reduced and the manufacturing yield structure can be achieved.
[0053]
(Example)
Next, the semiconductor memory element 10 of the above-described embodiment was actually manufactured and the characteristics were examined.
[0054]
<Experiment 1>
First, a TiW film having a thickness of 100 nm was deposited as a lower electrode 2 on a substrate 1 having high electrical conductivity, for example, a silicon substrate doped with a high concentration of P-type impurities by sputtering.
Next, a photoresist was formed to cover the lower electrode 2, and then exposure and development were performed by photolithography to form an opening (through hole) in the photoresist on the lower electrode 2. The size of the opening (through hole) was 2 μm in length and 2 μm in width.
Thereafter, annealing was performed in vacuum at 270 ° C. to alter the photoresist, and the insulating film 3 was formed as a hard-cure resist that is stable with respect to temperature and etching. The reason why the hard-cure resist is used for the insulating film 3 is that it can be easily formed experimentally, and in the case of manufacturing a product, another material (silicon oxide film or the like) is used for the insulating film 3. May be good.
Thereafter, the surface of the lower electrode 2 exposed by the through hole was etched to remove the thin oxide film and obtain an electrically good surface.
Subsequently, a GeSbTe film having a thickness of 25 nm was formed as the amorphous thin film 4 by a magnetron sputtering apparatus. The composition of this GeSbTe film is Ge twenty two Sb twenty two Te 56 (Subscript is atomic%).
Further, in the same magnetron sputtering apparatus, a GeSbTeAg film having a thickness of 25 nm was formed as the upper electrode 5 while maintaining the same vacuum. The composition of this GeSbTeAg film is (Ge twenty two Sb twenty two Te 56 ) 41 Ag 59 (Subscript is atomic%).
Further, in the same magnetron sputtering apparatus, a TiW film having a thickness of 100 nm was formed as the electrode layer 6 while maintaining the same vacuum, and subsequently an AlSi film having a thickness of 100 nm was formed as the conductive layer 7. . The composition of the TiW film and AlSi film is Ti, respectively. 50 W 50 And Al 97 Si Three (Subscript is atomic%).
Thereafter, each layer of the amorphous thin film 4, the upper electrode 5, the electrode layer 6, and the conductive layer 7 deposited on the insulating film 3 made of a hard-cure resist using a plasma etching apparatus by photolithography is 50 μm × 50 μm in size. Then, patterning was performed.
In this way, the semiconductor memory element 10 having the structure shown in FIG.
[0055]
A positive potential (+ potential) was applied to the conductive layer 7 on the upper electrode 5 side of the semiconductor memory element 10 of the sample 1, and the back side of the substrate 1 was connected to the ground potential (ground potential).
Then, the positive potential applied to the conductive layer 7 was increased from 0 V, and the change in current was measured. However, the current limiter was set to operate when the current reached 0.5 mA, and the positive potential applied to the conductive layer 7, that is, the voltage applied to the element 10 was not increased beyond that.
Further, from the state where the current reached 0.5 mA and the current limiter was operated, the positive potential applied to the conductive layer 7 was decreased to 0 V, and the change in current was measured.
The obtained IV characteristic graph is shown in FIG. 2A.
[0056]
As shown in FIG. 2A, the resistance is initially high, the semiconductor memory element 10 is in the OFF state, and when the voltage increases, the current increases rapidly at a certain threshold voltage Vth or higher, that is, the resistance decreases and the ON state is reached. It can be seen that the transition occurs. Thereby, it is understood that information is recorded.
On the other hand, by decreasing the voltage, the current also decreases. However, the decrease in current is larger and the resistance gradually increases, but eventually the resistance value is sufficiently lower than the initial resistance value. It can be seen that the ON state is maintained and the recorded information is retained.
In the case of this sample 1, the resistance value at the voltage V = 0.1 V was about 2 MΩ in the OFF state and about 1 kΩ in the ON state.
[0057]
Although not shown in the characteristic diagram of FIG. 2A, a reverse polarity voltage V, that is, a negative potential (−potential) is applied to the conductive layer 7 on the upper electrode 5 side, and the back side of the substrate 1 is grounded (ground potential). After applying a negative potential of V = −1V to the conductive layer 7 and connecting the electrode to the conductive layer 7, it is confirmed that the resistance returns to the high resistance state of the initial OFF state by setting the potential of the conductive layer 7 to 0V. It was. That is, it can be seen that the information recorded in the semiconductor memory element 10 can be erased by applying a negative voltage.
[0058]
<Experiment 2>
Ag was added to GeSbTe of the amorphous thin film 4, and the characteristics were examined.
First, as the amorphous thin film 4, (Ge twenty two Sb twenty two Te 56 ) 81 Ag 19 A GeSbTeAg film having a composition (subscript is atomic%, the same shall apply hereinafter) was formed, and the others were prepared in the same manner as Sample 1, and a semiconductor memory element was prepared as Sample 2.
Next, as the amorphous thin film 4, (Ge twenty two Sb twenty two Te 56 ) 70 Ag 30 A GeSbTeAg film having the following composition was formed, and a semiconductor memory element was prepared in the same manner as in Sample 1 except that it was designated as Sample 3.
Next, as the amorphous thin film 4, (Ge twenty two Sb twenty two Te 56 ) 58 Ag 42 A GeSbTeAg film having the following composition was formed, and a semiconductor memory element was prepared in the same manner as in Sample 1 except that the sample 4 was obtained.
[0059]
The IV characteristics of the semiconductor memory elements of Sample 2 to Sample 4 were measured. The measurement result of sample 2 is shown in FIG. 2B, the measurement result of sample 3 is shown in FIG. 3C, and the measurement result of sample 4 is shown in FIG. 3D.
As shown in FIGS. 2B, 3C, and 3D, the silver Ag content increases, the threshold voltage Vth when the voltage is increased, and the I− after the threshold voltage Vth is exceeded. It can be seen that the slope of V dI / dV, that is, the rate of change in resistance becomes moderate.
This is because, for example, the mechanism of changing resistance is that a thin current path having a high Ag concentration and a low resistance is formed locally as the electric field of Ag ions contained in the upper electrode 5 moves to the negative electrode side. Assuming that Ag is added to GeSbTe, the voltage at which the current path is formed becomes slightly higher, and the speed of forming the current path is slow, or the variation in the voltage at which multiple current paths are formed becomes large. It can be considered because of this.
3C and 3D, that is, sample 3 and sample 4, when the current limiter is 0.5 mA, when the current is returned to 0 V, the resistance value also returns to the original value, and recording cannot be maintained. Therefore, the result of measurement with the current limiter value set to 1 mA is shown.
Further, the ratio of the resistance change before and after recording was 400 times in the sample 1 in FIG. 2A, 80 times in the sample 2 in FIG. 2B, and 7 times in the sample 3 in FIG. 3C and the sample 4 in FIG. 3D. It became.
That is, when a voltage higher than the threshold voltage is applied during recording, each sample has a relatively small resistance, but the rate at which the resistance increases again as the applied voltage is decreased. It can be seen that the rate of resistance change is reduced due to the above.
That is, it is presumed that it becomes difficult to maintain the recorded ON state as the Ag content increases.
[0060]
From the above results, including Ag in the GeSbTe of the amorphous thin film 4 in advance causes an increase in recording voltage and recording current, thereby causing either a variation in recording voltage or a decrease in recording speed. Furthermore, it has been found that there is a problem that the ratio of the resistance change amount decreases, that is, the signal level decreases when the recording is read, and the retention characteristic of the recording data is weakened.
Therefore, it is desirable to manufacture the semiconductor memory element 10 so that the amorphous thin film 4 does not contain Ag or Cu contained in the upper electrode 5.
[0061]
<Experiment 3>
Next, the Ge content of the GeSbTe film of the amorphous thin film 4 was changed and the characteristics were examined.
First, as the lower electrode 2 and the electrode layer 6, instead of the TiW film, a Ti film was formed with a film thickness of 100 nm, and the others were manufactured in the same manner as the sample 1, and a semiconductor memory element was prepared as a sample 5.
Next, as the amorphous thin film 4, Ge 31 Sb 19 Te 50 A GeSbTe film having the composition (subscript is atomic%, the same shall apply hereinafter) was formed, and the others were fabricated in the same manner as Sample 5 to prepare a semiconductor memory element as Sample 6.
Next, as the amorphous thin film 4, Ge 38 Sb 17 Te 45 A GeSbTe film of the composition was formed, and a semiconductor memory element was fabricated in the same manner as in Sample 5 except that it was designated as Sample 7.
Next, as the amorphous thin film 4, Ge 49 Sb 15 Te 37 A GeSbTe film of the composition was formed, and the others were the same as in Sample 5, and a semiconductor memory element was manufactured as Sample 8.
[0062]
The IV characteristics of the semiconductor memory elements of Sample 5 to Sample 8 were measured. The measurement result of the sample 5 is shown in FIG. 4A, the measurement result of the sample 6 is shown in FIG. 4B, the measurement result of the sample 7 is shown in FIG. 5C, and the measurement result of the sample 8 is shown in FIG.
As shown in FIGS. 4A to 5D, it was confirmed that recording and record holding can be performed correctly in these wide Ge composition ranges.
5C and 5D, it can be seen that as the Ge content increases, dI / dV when a voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied becomes moderate. Considering the recording characteristics of the memory, the smaller the Ge content, the easier the recording. However, increasing the Ge content has the advantage of improving the thermal stability of the semiconductor memory element. Therefore, the Ge content may be controlled according to the required characteristics.
[0063]
<Experiment 4>
Next, the material of the lower electrode 2 and the electrode layer 6 was changed and the characteristics were examined.
As the lower electrode 2 and the electrode layer 6, instead of the TiW film, a W film was formed with a film thickness of 100 nm.
The IV characteristic of the semiconductor memory element of Sample 9 was measured. The measurement results are shown in FIG.
As can be seen from FIG. 6, good IV characteristics can be obtained and recording can be performed easily, as in FIG. 2A and the like.
[0064]
Further, the lower electrode 2 and the electrode layer 6 are made of Ti 50 W 50 The sample was changed to a TiW film having a composition other than that, a Ti / TiW laminated film, a TiW / Ti laminated film, a TiW / W laminated film, and a W / TiW laminated film. As with 1 etc., good IV characteristics were obtained.
Further, when the conductive layer 7 was replaced with a Cu film, when a sample was similarly prepared and measured, good IV characteristics were obtained as in the case of the sample 1 and the like.
[0065]
<Experiment 5>
Next, as the upper electrode 5 containing Ag, the characteristics were examined using an Ag film instead of the GeSbTeAg film.
As the upper electrode 5, an Ag film having a film thickness of 6 nm was formed instead of the GeSbTeAg film, and a semiconductor memory element was fabricated in the same manner as in the sample 1, and a sample 10 was obtained.
The IV characteristics of the semiconductor memory element of Sample 10 were measured. The measurement results are shown in FIG.
From FIG. 7, it can be seen that, as in FIG. 2A and the like, good IV characteristics can be obtained and recording can be performed easily. In particular, it can be seen that dI / dV during recording is very steep compared to FIG. 2A.
Then, considering the results of FIG. 7 and the results of FIGS. 2A to 3D, there is a difference between the concentration of Ag and Cu contained in the upper electrode 5 and the concentration of Ag and Cu contained in the amorphous thin film 4. It can be seen that the larger the value, the steep dI / dV during recording, and the better recording characteristics can be obtained.
[0066]
A sample was prepared by changing the film thickness of the Ag film, and the same measurement was performed. As a result, if the film thickness was 3 nm or more, substantially similar IV characteristics were obtained.
[0067]
<Experiment 6>
The amorphous thin film 4 was doped with an impurity metal different from ion or Ag or Cu, specifically Gd, which is a rare earth metal, and the characteristics were examined.
First, as the amorphous thin film 4, (Ge twenty two Sb twenty two Te 56 ) 89 Gd 11 A GeSbTeGd film having a composition (subscript is atomic%, the same shall apply hereinafter) was formed, and the others were prepared in the same manner as Sample 1 to prepare a semiconductor memory element as Sample 11.
Next, as the amorphous thin film 4, (Ge twenty two Sb twenty two Te 56 ) 82 Gd 18 A GeSbTeGd film of the composition was formed, and the others were the same as in Sample 1, and a semiconductor memory element was manufactured as Sample 12.
The IV characteristics of the semiconductor memory elements of Sample 11 and Sample 12 were measured. The measurement result of the sample 11 is shown in FIG. 8A, and the measurement result of the sample 12 is shown in FIG. 8B.
As shown in FIG. 8A and FIG. 8B, it was confirmed that in this case as well, recording and record holding can be performed correctly.
Further, the addition of the rare earth element Gd increases the resistance value before recording, becomes 1 MΩ or more, and has an effect that the resistance value is stable even after a high temperature has passed. In any of the 12 samples, the resistance value hardly changed after annealing at 270 ° C. for 1 hour.
That is, it is presumed that the addition of rare earth elements raises the crystallization temperature and keeps the amorphous state stable.
Further, the addition of rare earth elements increases the threshold voltage, which is effective when, for example, it is desired to set a high voltage during reproduction (reading).
Since rare earth elements have the same outermost electronic structure, they have electrically equivalent characteristics regardless of the elements. Therefore, not only Gd but also La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy. The same effect can be expected by using any element of, Ho, Er.
[0068]
<Experiment 7>
Impurity elements, specifically Si, were added to the amorphous thin film 4 to investigate the characteristics.
First, as the amorphous thin film 4, (Ge twenty two Sb twenty two Te 56 ) 93 Si 7 A GeSbTeSi film having a composition (subscript is atomic%, the same shall apply hereinafter) was formed, and a semiconductor memory element was prepared in the same manner as in Sample 1 to obtain Sample 13.
Next, as the amorphous thin film 4, (Ge twenty two Sb twenty two Te 56 ) 85 Si 15 A GeSbTeSi film of the composition was formed, and the others were the same as in Sample 1, and a semiconductor memory element was produced as Sample 14.
Next, as the amorphous thin film 4, (Ge twenty two Sb twenty two Te 56 ) 77 Si twenty three A GeSbTeSi film of the composition was formed, and the others were the same as in Sample 1, and a semiconductor memory element was manufactured as Sample 15.
The IV characteristics of the semiconductor memory elements of Sample 13 to Sample 15 were measured. The measurement result of the sample 13 is shown in FIG. 9A, the measurement result of the sample 14 is shown in FIG. 9B, and the measurement result of the sample 15 is shown in FIG. 9C.
From FIG. 9A and FIG. 9B, it was confirmed that the I-V characteristics hardly changed and the recording and the retention of the recording could be correctly performed until the addition amount of Si was about 15 atomic% or less.
On the other hand, as shown in FIG. 9C, when the addition amount of Si is 23 atomic%, the threshold voltage increases and recording at 0.5 mA becomes difficult, and a current of about 1 mA is required.
In addition, it can be expected that thermal stability is increased by adding Si to GeSbTe of the amorphous thin film 4. This is because the covalent bond energy of Si—Si is high, so the melting point of Si alone is high, and the higher the Si composition in the Si—Ge alloy composition, the higher the melting point. Therefore, even when Si is added to GeSbTe. Similarly, due to the addition of Si, the covalent bond is increased, and the melting point and the crystallization temperature are expected to increase.
[0069]
<Experiment 8>
The characteristics of the amorphous thin film 4 were examined by changing the film thickness.
First, a semiconductor memory element was prepared as Sample 16 in the same manner as Sample 1 except that the lower electrode 2 was a Ti film having a thickness of 20 nm, the GeSbTe film of the amorphous thin film 4 was 14 nm.
Next, the thickness of the GeSbTe film of the amorphous thin film 4 was set to 25 nm, and a semiconductor memory element was fabricated in the same manner as the sample 16 except that the sample 17 was obtained.
In this sample 17, the thickness of the GeSbTe film of the amorphous thin film 4 is the same as that of the sample 1.
Next, the thickness of the GeSbTe film of the amorphous thin film 4 was set to 38 nm, and a semiconductor memory element was fabricated in the same manner as the sample 16 except that the sample 18 was obtained.
Next, the thickness of the GeSbTe film of the amorphous thin film 4 was set to 51 nm, and a semiconductor memory element was fabricated in the same manner as the sample 16 except that the sample 19 was obtained.
[0070]
The IV characteristics of the semiconductor memory elements of Sample 16 to Sample 19 were measured. The measurement result of the sample 16 is shown in FIG. 10A, the measurement result of the sample 17 is shown in FIG. 10B, the measurement result of the sample 18 is shown in FIG. 11C, and the measurement result of the sample 19 is shown in FIG.
As shown in FIGS. 10A to 11D, it was confirmed that recording and record holding can be performed correctly in these wide film thickness ranges.
In the thinnest sample 16 (FIG. 10A), the threshold voltage is as low as about 0.1V, but the threshold voltage does not change so much depending on the film thickness in other samples, and both are about 0.17V. It has become.
[0071]
In the semiconductor memory element 10 of the above-described embodiment, a ground potential (ground potential) is applied to the back side of the substrate 1 using a silicon substrate having a high conductivity and high conductivity as the substrate 1. Other configurations are possible for applying a voltage to the side.
For example, an electrode formed on the surface of the substrate and electrically insulated from the silicon substrate may be used.
Further, a semiconductor substrate other than silicon or an insulating substrate such as a substrate made of glass or resin may be used as the substrate.
[0072]
A semiconductor memory device (semiconductor memory device) can be formed by arranging a large number of semiconductor memory elements, for example, in a column shape or a matrix shape, using the semiconductor memory element of the present invention.
In addition, a memory cell is configured by connecting a MOS transistor or a diode for selecting an element to each semiconductor memory element as necessary.
Further, it is connected to a sense amplifier, an address recorder, a recording / erasing / reading circuit, etc. via wiring.
[0073]
The semiconductor memory element of the present invention can be applied to various semiconductor memory devices. For example, a so-called PROM (programmable ROM) that can be written only once, an electrically erasable EEPROM (electrically erasable ROM), or a so-called RAM (random access memory) that can be recorded / erased / reproduced at high speed Any memory form can be applied.
[0074]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
[0075]
【The invention's effect】
According to the above-described present invention, it is possible to reduce the current required for recording in the semiconductor memory element and increase the resistance change of the element before and after recording.
Thereby, power consumption when recording information on the element can be reduced, and information can be easily read.
Also, the time required for recording can be shortened.
[0076]
Furthermore, since information is recorded by utilizing changes in the resistance of the element, especially the resistance of the amorphous thin film, even when the element is miniaturized, it is easy to record information and hold the recorded information. Has the advantage of becoming.
[0077]
Therefore, according to the present invention, information recording and information reading can be easily performed, power consumption is reduced, and a semiconductor memory device that operates at high speed can be configured. Further, integration (high density) and miniaturization of the semiconductor memory device can be achieved.
[0078]
Furthermore, the semiconductor memory element of the present invention can be manufactured by materials and manufacturing methods used in a normal MOS logic circuit manufacturing process, that is, no special steps such as high-temperature heat treatment and light irradiation are required. It becomes possible to manufacture with.
That is, a semiconductor memory element can be easily manufactured by a relatively simple method.
Therefore, according to the present invention, a semiconductor memory element and a semiconductor memory device can be manufactured at a low cost, and an inexpensive semiconductor memory device can be provided. It is also possible to improve the manufacturing yield of the semiconductor memory device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of an embodiment of a semiconductor memory element of the present invention.
FIG. 2A is a diagram showing measurement results of IV characteristics of a sample of the semiconductor memory element of FIG. B is a diagram showing measurement results of IV characteristics of a sample obtained by adding Ag to an amorphous thin film.
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing measurement results of IV characteristics of a sample in which Ag is added to an amorphous thin film. FIGS.
FIGS. 4A and 4B are diagrams showing measurement results of IV characteristics of samples in which the Ge content of an amorphous thin film is changed.
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing measurement results of IV characteristics of a sample in which the Ge content of an amorphous thin film is changed.
FIG. 6 is a diagram showing measurement results of IV characteristics of a sample using W for the lower electrode and the electrode layer.
FIG. 7 is a diagram showing measurement results of IV characteristics of a sample in which an amorphous thin film is an Ag film.
FIGS. 8A and 8B are diagrams showing measurement results of IV characteristics of a sample in which Gd is added to an amorphous thin film. FIGS.
FIGS. 9A to 9C are diagrams showing measurement results of IV characteristics of a sample obtained by adding Si to an amorphous thin film. FIGS.
FIGS. 10A and 10B are diagrams illustrating measurement results of IV characteristics of samples in which the thickness of the GeSbTe film, which is an amorphous thin film, is changed. FIGS.
FIGS. 11A and 11B are diagrams showing measurement results of IV characteristics of a sample in which the thickness of a GeSbTe film as an amorphous thin film is changed. FIGS.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate, 2 Lower electrode, 4 Amorphous thin film, 5 Upper electrode, 6 Electrode layer, 7 Conductive layer, 10 Semiconductor memory element

Claims (8)

第1の電極及び第2の電極の間に、アモルファス薄膜が挟まれて構成され、
前記第1の電極及び前記第2の電極の一方の電極のみがAg又はCuを含み、
前記アモルファス薄膜は、Ag又はCuを含まず、Geと、S,Se,Te,Sbから選ばれる1つ以上の元素とから成り、
Ag又はCuが含まれた前記電極側が正になるように正電圧を印加することにより、前記電極からAg又はCuがイオン化して、前記アモルファス薄膜内を拡散して、前記アモルファス薄膜の抵抗が低くなるので、情報を記録することができ、
情報を記録した状態において、Ag又はCuが含まれた前記電極側が負になるように負電圧を印加することにより、Ag又はCuがイオン化して前記アモルファス薄膜内を移動して前記電極側に戻り、前記アモルファス薄膜の抵抗が高くなり、記録した情報を消去することができ、
前記アモルファス薄膜が相変化しないような条件で、情報の記録及び消去が行われる
半導体記憶素子。
An amorphous thin film is sandwiched between the first electrode and the second electrode,
Only one of the first electrode and the second electrode contains Ag or Cu,
The amorphous thin film does not contain Ag or Cu, and consists of Ge and one or more elements selected from S, Se, Te, and Sb.
By applying a positive voltage so that the electrode side containing Ag or Cu is positive, Ag or Cu is ionized from the electrode, diffuses in the amorphous thin film, and the resistance of the amorphous thin film is low. So you can record information,
In a state where information is recorded, by applying a negative voltage so that the electrode side containing Ag or Cu becomes negative, Ag or Cu is ionized and moves in the amorphous thin film and returns to the electrode side. , The resistance of the amorphous thin film is increased, the recorded information can be erased,
Information is recorded and erased under conditions such that the amorphous thin film does not change phase.
Ag又はCuを含む電極が、前記電極に含まれるAg又はCuよりもイオン化した場合の価数が大きい元素から成る電極層に前記アモルファス薄膜とは反対の側で、接続されている請求項1に記載の半導体記憶素子。  The electrode containing Ag or Cu is connected to an electrode layer made of an element having a higher valence when ionized than Ag or Cu contained in the electrode on the side opposite to the amorphous thin film. The semiconductor memory element as described. Ag又はCuを含む電極が、TiW,Ti,Wのいずれかから成る電極層に前記アモルファス薄膜とは反対の側で、接続されている請求項1に記載の半導体記憶素子。The semiconductor memory element according to claim 1, wherein an electrode containing Ag or Cu is connected to an electrode layer made of any one of TiW, Ti, and W on the side opposite to the amorphous thin film . 前記アモルファス薄膜は、Geと、S,Se,Te,Sbから選ばれる1つ以上の元素と、さらにSiとから成る請求項1に記載の半導体記憶素子。  The semiconductor memory element according to claim 1, wherein the amorphous thin film is made of Ge, one or more elements selected from S, Se, Te, and Sb, and Si. 第1の電極及び第2の電極の間に、アモルファス薄膜が挟まれて構成され、前記第1の電極及び前記第2の電極の一方の電極のみがAg又はCuを含み、前記アモルファス薄膜は、Ag又はCuを含まず、Geと、S,Se,Te,Sbから選ばれる1つ以上の元素とから成り、Ag又はCuが含まれた前記電極側が正になるように正電圧を印加することにより、前記電極からAg又はCuがイオン化して、前記アモルファス薄膜内を拡散して、前記アモルファス薄膜の抵抗が低くなるので、情報を記録することができ、情報を記録した状態において、Ag又はCuが含まれた前記電極側が負になるように負電圧を印加することにより、Ag又はCuがイオン化して前記アモルファス薄膜内を移動して前記電極側に戻り、前記アモルファス薄膜の抵抗が高くなり、記録した情報を消去することができ、前記アモルファス薄膜が相変化しないような条件で、情報の記録及び消去が行われる半導体記憶素子と、
前記第1の電極側に接続された配線と、
前記第2の電極側に接続された配線とを有し、
前記半導体記憶素子が多数配置されて成る
半導体記憶装置。
An amorphous thin film is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and only one of the first electrode and the second electrode contains Ag or Cu. A positive voltage is applied so that the electrode side containing Ag or Cu is positive, and does not contain Ag or Cu, is composed of Ge and one or more elements selected from S, Se, Te, and Sb. As a result, Ag or Cu is ionized from the electrode and diffuses in the amorphous thin film, so that the resistance of the amorphous thin film is lowered, so that information can be recorded. By applying a negative voltage so that the electrode side containing N is negative, Ag or Cu is ionized, moves in the amorphous thin film, returns to the electrode side, and the amorphous thin film Resistance becomes high, and it is possible to erase the recorded information, under conditions such that the amorphous thin film does not change phase, the semiconductor memory device recording and erasing of information is performed,
Wiring connected to the first electrode side;
A wiring connected to the second electrode side,
A semiconductor memory device comprising a large number of the semiconductor memory elements.
前記半導体記憶素子のAg又はCuを含む電極が、前記電極に含まれるAg又はCuよりもイオン化した場合の価数が大きい元素から成る電極層に前記アモルファス薄膜とは反対の側で、接続されている請求項5に記載の半導体記憶装置。  An electrode containing Ag or Cu of the semiconductor memory element is connected to an electrode layer made of an element having a higher valence when ionized than Ag or Cu contained in the electrode on the side opposite to the amorphous thin film. The semiconductor memory device according to claim 5. 前記半導体記憶素子のAg又はCuを含む電極が、TiW,Ti,Wのいずれかから成る電極層に前記アモルファス薄膜とは反対の側で、接続されている請求項5に記載の半導体記憶装置。The semiconductor memory device according to claim 5, wherein an electrode containing Ag or Cu of the semiconductor memory element is connected to an electrode layer made of any one of TiW, Ti, and W on the side opposite to the amorphous thin film . 前記半導体記憶素子の前記アモルファス薄膜は、Geと、S,Se,Te,Sbから選ばれる1つ以上の元素と、さらにSiとから成る請求項5に記載の半導体記憶装置。  6. The semiconductor memory device according to claim 5, wherein the amorphous thin film of the semiconductor memory element is made of Ge, one or more elements selected from S, Se, Te, and Sb, and Si.
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