JP4548211B2 - 記憶素子の製造方法、記憶装置の製造方法 - Google Patents
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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。
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。
従って、上述した各種の不揮発性のメモリについて、広く研究や商品開発が行われている。
フラッシュメモリは、集積度が高いが、動作速度の点で不利である。
FeRAMは、高集積度化のための微細加工に限界あり、また作製プロセスにおいて問題がある。
MRAMは、消費電力の問題がある。
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値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)。
これらの閾値が、同一の記憶素子でも書き込み・消去の繰り返しによってばらついたり、繰り返すごとに閾値電圧が変化したりする場合や、書き込みの閾値電圧が記憶素子毎に(即ちメモリのメモリセル毎)に異なる等、閾値にばらつきが存在していると、安定なメモリ動作が困難となる。
また、閾値電圧が高すぎる場合には、高速な動作が難しくなったり、メモリセルを選択する選択用のMOSトランジスタの電圧駆動範囲を超えてしまって、動作不能になったりする、等の問題点が存在する。
また本発明の記憶装置の製造方法は、上記記憶素子と、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、記憶素子が多数配置されて成る記憶装置を製造する際に、上記本発明の記憶素子の製造方法により記憶素子を作製するものである。
また、この状態から、一方の電極側に負電位を印加して記憶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,Cu,Znが再びイオン化して、元の状態に戻ることによって記憶用薄膜の抵抗値が元の高い状態に戻り、記憶素子の抵抗値も高くなるので、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。
これにより、記憶用薄膜のGd酸化物層の不均一性を低減することができる。
そして、本発明に係る記憶素子において、印加電圧によって励起されるイオン化挙動やイオンの動作によって、抵抗値が変化する際の閾値電圧は、Gd酸化物層の厚さやその形成条件に大きく依存することから、記憶用薄膜のGd酸化物層の不均一性を低減することにより、記憶素子の書き込み及び消去における閾値電圧のばらつきを抑制することが可能になる。
これにより、書き込み及び消去の動作の繰り返し特性に優れた記憶素子を製造することができる。
そして、閾値電圧のばらつきを抑制することが可能になることにより、情報の書き込み及び消去におけるエラーの発生を低減することが可能になるため、安定したメモリ動作が可能な記憶装置を実現することが可能になる。
また、書き込み及び消去の動作の繰り返し特性に優れた記憶素子を製造することができることから、情報保持の耐久性に優れ、高い信頼性を有する記憶装置を実現することができる。
従って、本発明により、適正な特性の記憶素子及び記憶装置を安いコストで製造することができ、安価な記憶装置を提供することが可能になる。
この記憶素子10は、例えば、CMOS回路が形成されたシリコン基板(図2参照)上に、CMOS回路部分との接続部である下部電極1が形成されていて、この下部電極1上に記憶用薄膜2が形成され、この記憶用薄膜2上にAg,Cu,Znを含む層3が形成され、その上に上部電極4が形成されて構成されている。
また、Cu等の電界でイオン伝導が乗じる可能性のある電極材料を用いる場合には、Cu電極上にW,WN,TiN,TaN等のイオン伝導や熱拡散しにくい材料で被覆して用いてもよい。
この希土類酸化物薄膜2は、通常絶縁材料であるため、例えば膜厚0.5nm〜3nmと薄くして、電流を流すことができるようにする。
希土類酸化物薄膜2における酸素の組成は、通常は希土類元素(RE)に対してRE2O3という組成を形成するが、ここでは、アモルファス膜であって、半導体領域の導電率以下の電気的性質を有していれば充分であるので、必ずしも、このような組成に限定されず、例えば、REOx(0.5<x≦1.5)でも構わない。
イオン源層3は、例えば、Te,Se,Sのカルコゲナイド元素を含有する、GeSbTe,GeTe,GeSe,GeS,SiGeTe,SiGeSbTe等にAg,Cu,Znを加えた組成の膜、Ag膜、Ag合金膜、Cu膜、Cu合金膜、Zn膜、Zn合金膜等を用いて構成することができる。
このイオン源層3に、例えば、GeTeCu膜を用いた場合には、膜厚を例えば5nm〜50nmにすればよい。また、上記の組成の他に、希土類酸化物薄膜2に用いる希土類元素を含む組成、例えばCuGeTeGdとしてもよい。
すると、希土類酸化物薄膜2内部にAg,Cu,Znを多量に含む電流パスが形成される、もしくは、希土類酸化物薄膜2内部にAg,Cu,Znによる欠陥が多数形成されることによって、希土類酸化物薄膜2の抵抗値が低くなる。希土類酸化物薄膜2以外の各層は、希土類酸化物薄膜2の記録前の抵抗値に比べて、元々抵抗値が低いので、希土類酸化物薄膜2の抵抗値を低くすることにより、記憶素子10全体の抵抗値も低くすることができる。
すると、希土類酸化物薄膜2内からAg,Cu,Znによる電流パス、もしくは、欠陥が消滅して希土類酸化物薄膜2の抵抗値が高くなる。希土類酸化物薄膜2以外の各層は元々抵抗値が低いので、希土類酸化物薄膜2の抵抗値を高くすることにより、記憶素子10全体の抵抗値も高くすることができる。
その後、負電圧を除去して、記憶素子10にかかる電圧をなくすと、抵抗値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。
記録データを復調するためには、初期の抵抗値と記録後の抵抗値との比が、およそ、2倍以上であれば充分であるので、記録前の抵抗値が100Ωで、記録後の抵抗値が50Ω、或いは、記録前の抵抗値が100kΩ、記録後の抵抗値が50kΩといった状況であれば充分であり、希土類酸化物薄膜2の初期の抵抗値はそのような条件を満たすように設定される。希土類酸化物薄膜2の抵抗値は、例えば、酸素濃度、膜厚、面積、さらには、不純物材料の添加によって調整することが可能である。
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。
図1のイオン源層3(3A,3B)のうち、カルコゲナイド元素を含有する層3Aを、Te,Se,Sのカルコゲナイド元素を含有するが、Ag,Cu,Znのイオン源元素は含有しない構成、例えば、GeSbTe,GeTe,GeSe,GeS,SiGeTe,SiGeSbTe等の材料とした構成も可能である。
また、希土類酸化物薄膜2とイオン源層3との積層順序を逆にして、下部電極1上にAg,Cu,Znを含むイオン源層3を形成し、その上に希土類酸化物薄膜2を形成し、さらにその上に上部電極4を形成する構成も可能である。
さらにまた、下部電極1のみにイオン源のAg,Cu,Znを含む構成や、下部電極1及び上部電極4にイオン源のAg,Cu,Znを含む構成としても良い。また、上部電極として、イオン源層3をそのまま用いることも可能である。
各記憶素子10に対して、その下部電極1側に接続された配線と、その上部電極4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記憶素子10が配置されるようにすればよい。即ちビット線(BL)及びワード線(WL)とを設け、これらの配線の交差点付近に各記憶素子が配置されるようにすればよい。
そして、電位を印加して電流を流す下部電極1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。
この構成としたメモリセルアレイの一形態の概略構成図を、図2及び図3に示す。図2は断面図であり、図3は平面図である。
一方、下部電極1は、メモリセル毎に個別に形成されており、各メモリセルが電気的に分離されている。このメモリセル毎に個別に形成された下部電極1によって、各下部電極1に対応した位置に、各メモリセルの記憶素子10が規定される。
また、下部電極1は、各々対応する選択用のMOSトランジスタTrに接続されている。
このMOSトランジスタTrは、半導体基板11内の素子分離層12により分離された領域に形成されたソース/ドレイン領域13と、ゲート電極14とから成る。ゲート電極14の壁面には、サイドウォール絶縁層が形成されている。
また、ゲート電極14は、記憶素子の一方のアドレス配線であるワード線WLを兼ねている。
そして、MOSトランジスタTrのソース/ドレイン領域13の一方と、記憶素子10の下部電極1とが、プラグ層15・金属配線層16・プラグ層17を介して、電気的に接続されている。
MOSトランジスタTrのソース/ドレイン領域13の他方は、プラグ層15を介して金属配線層16に接続されている。この金属配線層16は、記憶素子の他方のアドレス配線であるビット線BL(図3参照)に接続される。
ワード線WLにより選択用のMOSトランジスタTrのゲートをオン状態として、ビット線BLに電圧を印加すると、MOSトランジスタTrのソース/ドレインを介して、選択されたメモリセルの下部電極1に電圧が印加される。
また、下部電極1に、上部電極4(プレート電極PL)の電位に比して正電位である場電圧を印加することにより、記憶素子10の抵抗値が再び高抵抗状態へと遷移する。これにより、選択されたメモリセルの記憶素子10に対して、記録された情報を消去することができる。
このとき、選択したメモリセルに対して印加する電圧或いは電流は、記憶素子10の抵抗値の状態が遷移する電圧或いは電流の閾値よりも小さくする。
また、上述した形態の記憶素子10は、微細化していった場合においても、情報の記録や記録した情報の保持が容易になる。
従って、上述した形態の記憶素子10を用いて記憶装置を構成することにより、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。
次に、上部電極4として、例えばW膜を成膜する。
必要に応じて、さらに上部電極4(プレート電極PL)に、共通電位を供給するための配線を接続して形成する。
このようにして、図1〜図3に示したメモリセルアレイを製造することができる。
この際に使用する不活性ガスとしては、アルゴン、クリプトン、キセノンのうち、いずれか1つのガス又は2つ以上の混合ガスを用いることができる。
また、不活性ガスと共に用いるガスとしては、酸素が主に含まれていればよく、そのほかに窒素やフッ素、塩素、臭素等のハロゲンガスや、それらを含んだ有機物のガスを用いることができる。
この場合の反応性スパッタ法の具体的な条件としては、例えば、アルゴンと酸素の流量比を3:1とし、チャンバー圧力を3mTorrとすればよい。
これは、不活性ガスと酸素等のガスとの混合比によって、希土類酸化物薄膜の酸素組成を制御することができ、酸素ガスの混合比を下げることで酸素組成の少ない希土類酸化膜を形成することができるからである。
また、窒素ガス等を混合することで、その絶縁特性を変化させることができる。
即ち、ある程度の厚みを有し、抵抗値の小さい希土類酸化物薄膜を形成するためには、酸素ガスの流量比を低減することや、窒素ガス等をさらに混合して調整すればよい。
これにより、記憶用薄膜の希土類酸化物薄膜2の不均一性を低減することができる。
これにより、書き込み及び消去の繰り返し特性に優れた記憶素子10を製造することが可能になることから、情報保持の耐久性に優れ、高い信頼性を有する記憶装置を実現することが可能になる。
従って、本実施の形態の製造方法により、適正な特性の記憶素子及び記憶装置を安いコストで製造することができ、安価な記憶装置を提供することが可能になる。
次に、上述した形態の記憶素子10及びメモリセルアレイを実際に作製して、特性を調べた。
まず、図2及び図3に示すように、半導体基板11にMOSトランジスタTrを形成した。
その後、表面を覆って絶縁層を形成した。
次に、この絶縁層にビアホールを形成した。
続いて、CVD法により、ビアホールの内部を、W(タングステン)から成る電極材で充填した。
次に、表面をCMP法により平坦化した。
そして、これらの工程を繰り返すことにより、プラグ層15・金属配線層16・プラグ層17・下部電極1を形成して、さらに下部電極1をメモリセル毎にパターニングした。
なお、このとき、下部電極1の表面は、理想的には、周囲の絶縁層と同一の高さに形成されて、平坦化されていることが望ましい。
反応性スパッタ法の具体的な条件は、Gdターゲットを用いて、チャンバー内圧力を3mTorrとし、酸素とアルゴンとの混合比を1:3とした。
さらに、イオン源層3上に、上部電極4としてW膜を形成した。
このようにして、図1に示した記憶素子10を構成する積層膜を形成した。
その後、全面的に形成された希土類酸化物薄膜2・イオン源層3・上部電極4を、メモリセルアレイの部分(メモリ部)全体にわたって残るようにパターニングした。
このようにして、図1〜図3に示した記憶素子10から成るメモリセルアレイを作製して、試料1とした。
反応性スパッタ法により、下部電極1上に記憶用薄膜を構成する希土類酸化物薄膜2を形成する際の、チャンバー内圧力を5mTorrとして、酸素とアルゴンとの混合比を1:5として、その他は試料1と同様にして、メモリセルアレイの試料を作製し、試料2とした。
また、反応性スパッタ法により、下部電極1上に記憶用薄膜を構成する希土類酸化物薄膜2を形成する際の、チャンバー内圧力を5mTorrとして、酸素とアルゴンとの混合比を1:10として、その他は試料1と同様にして、メモリセルアレイの試料を作製し、試料3とした。
<試料4>
下部電極1の表面を、5nm程度逆スパッタリングによってエッチングした後に、Gd金属層を膜厚0.8nmで形成した。
その後に、酸素プラズマに晒してGd金属層を酸化することにより、Gd酸化層を形成した。その他は試料1と同様にして、メモリセルアレイの試料を作成し、試料4とした。
例えば、試料1の記憶素子10に対して、上部電極4に接続された上部配線をVdd/2の中間電位に接地し、選択するメモリセルのゲート電極即ちワード線WLに2.5Vを印加してON状態にし、トランジスタTrのソース/ドレイン13のうち、記憶素子10に接続されていない方に接続されている電極、即ちビット線BLに、0V〜+1.25V、+1.25V〜−1.0V、−1.0V〜0Vの電圧を印加して挿引し、これらのサイクルを合計4回繰り返した。
また、I−V特性からV−Rループを算出した。算出したV−Rループを図5に示す。 図4及び図5において、破線は1回目のループを示していて、実線は2回目以降のループを示している。
一方、その後、電圧を減少させても、一定の抵抗値を保ったままであり、即ち記憶素子ではON状態が保たれ、記録された情報が保持される。また、その後の3回の記録消去を行っても同様の動作が行われている。
例として、試料1の24素子のV−R測定の結果を重ねあわせて、図6に示す。
計算方法は、24素子の電圧の閾値の標準偏差を求めて、それを電圧の閾値の平均値で割って得られた値(%)をばらつき値とした。
試料1〜試料4の電圧の閾値のばらつきの測定結果を、表1に示す。
計算方法は、24素子の抵抗値の標準偏差を求めて、それを抵抗値の平均で割って得られた値(%)をばらつき値とした。
試料1〜試料4の抵抗値のばらつきの測定結果を、表2に示す。
しかし、Gd酸化物層をプラズマ酸化によって形成した比較例の試料4においては、ばらつきが37.6%となっており、実施例の各試料と比較して大きくなっている。
一方、本発明の実施例である試料1〜試料3については、いずれも、3%以下と小さくなっている。
希土類金属膜をプラズマ酸化した場合には、酸化過程において、希土類金属膜の結晶粒界が優先的に酸化されることにより、酸化状態が不均一な酸化物層が形成されるため、書き込みと消去過程において、イオン伝導が不均一に生じる。
反応性スパッタ法により希土類酸化物薄膜を形成した場合には、酸化物層の深さ方向又は面内方向での酸素濃度勾配が生じにくいので、Cuのイオン伝導が均一に生じるためであると考えられる。
このとき、各記憶素子に、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。
Claims (4)
- 第1の電極及び第2の電極の間に、記憶用薄膜が挟まれて構成され、
前記記憶用薄膜が、Gd酸化物層を有して成り、
前記記憶用薄膜内、もしくは、前記記憶用薄膜と接している層に、Ag,Cu,Znから選ばれる、いずれかの元素が含まれている記憶素子を製造する方法であって、
前記Gd酸化物層を、Gdターゲットを用いた、反応性スパッタ法により形成する
記憶素子の製造方法。 - 前記Gd酸化物層を形成する際に、スパッタリングガスとして、酸素とアルゴンとの混合ガスを用いて、酸素とアルゴンとのガス流量はアルゴンの方を大きくする請求項1に記載の記憶素子の製造方法。
- 前記記憶素子が、前記記憶用薄膜に、電圧パルスもしくは電流パルスを印加することにより、前記記憶用薄膜のインピーダンスが変化して、情報の記録が行われる構成である請求項1又は請求項2に記載の記憶素子の製造方法。
- 第1の電極及び第2の電極の間に、記憶用薄膜が挟まれて構成され、前記記憶用薄膜が、Gd酸化物層を有して成り、前記記憶用薄膜内、もしくは、前記記憶用薄膜と接している層に、Ag,Cu,Znから選ばれる、いずれかの元素が含まれている記憶素子と、
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、
前記記憶素子が多数配置されて成る記憶装置を製造する方法であって、
前記記憶素子の前記Gd酸化物層を、Gdターゲットを用いた、反応性スパッタ法により形成する
記憶装置の製造方法。
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