JP4731601B2 - データ保持および省電力が向上した抵抗メモリ装置 - Google Patents

Description

発明の背景技術
１．技術分野
本発明は一般にメモリ装置に関し、より特定的には抵抗メモリ装置動作および抵抗メモリ構造に関する。

２．背景技術
コンピュータおよび電子装置の容積、使用、および複雑さは絶えず増大している。コンピュータは常により強力になり、新しく向上した電子装置が絶えず開発されている（たとえばデジタルオーディオプレーヤ、ビデオプレーヤなど）。さらに、デジタル媒体（たとえばデジタルオーディオ、ビデオ、画像など）の発達および使用がこれらの装置の開発を一層押し進めてきた。このような発達および開発により、コンピュータおよび電子装置に格納され維持されるために所望され／必要とされる情報量を莫大に増加させてきた。

一般に、情報は、いくつかの型の記憶装置の１つ以上に格納され維持される。記憶装置は、たとえばハードディスクドライブ、コンパクトディスクドライブおよび対応する媒体、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）ドライブなどの長期的な記憶媒体を含む。長期的な記憶媒体は典型的にはより低コストでより大きな情報量を格納するが、他の型の記憶装置よりも遅い。記憶装置はメモリ装置をも含み、それはしばしば短期的な記憶媒体を含むが常にではない。メモリ装置は、長期的な記憶媒体よりも実質的に高速となる傾向がある。このようなメモリ装置はたとえば、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、ダブルデータレートメモリ（ＤＤＲ）、フラッシュメモリ、読出し専用メモリなど（ＲＯＭ）を含む。メモリ装置は揮発性型、不揮発性型に細分される。揮発性メモリ装置は、一般に電力を失うとその情報を失い、典型的にはその情報を維持するためには周期的なリフレッシュサイクルを必要とする。揮発性メモリ装置は、たとえば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどを含む。不揮発性メモリ装置は、電力が装置に維持されているか否かにかかわらずその情報を維持する。不揮発性メモリ装置は、ＲＯＭ、プログラマブル読出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリなどを含むがこれらに限定されない。揮発性メモリ装置は、不揮発性メモリ装置と比較して、一般により低コストでより高速の動作をもたらす。

メモリ装置は一般にメモリセルのアレイを含む。各メモリセルはアクセスされるか、または情報を「読出され」「書込まれ」「消去される」ことができる。メモリセルは、「０」および「１」とも呼ばれる「オフ」または「オン」状態に情報を維持する。典型的には、メモリ装置は指定された数のバイト（たとえば１バイト当たり８メモリセル）を検索するためにアドレス指定される。揮発性メモリ装置については、メモリセルはその状態を維持するために周期的に「リフレッシュ」されなければならない。通常はこのようなメモリ装置は、これらのさまざまな機能を実行し、２つの状態を切替え、かつ維持することができる半導体装置から製作される。装置はしばしば、結晶シリコン装置などの無機固体技術を用いて製作される。メモリ装置に使用される共通する半導体装置は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。

ポータブルコンピュータおよび電子装置の使用により、不揮発性メモリ装置の需要が大幅に増大してきた。デジタルカメラ、デジタルオーディオプレーヤ、携帯情報端末などは、一般に大容量不揮発性メモリ装置（たとえばフラッシュメモリ、スマートメディア、小
型フラッシュなど）を用いるものである。

情報記憶の需要が増大しているので、メモリ装置の開発者および製造業者は、メモリ装置の記憶容量を増加させる（たとえばダイまたはチップごとの記憶量を増加させる）ことを絶えず試みている。切手大の１片のシリコンが何千万ものトランジスタを包含することができ、各トランジスタは数百ナノメータの小ささである。しかしながら、シリコンベースの装置はその根本的な物理的な大きさの限界に近づいている。無機固体装置は一般に、高コストおよびデータ記憶密度の損失に繋がる複雑なアーキテクチャが妨げとなる。無機半導体材料に基づいた揮発性半導体メモリには、格納された情報を維持するために絶えず電流が供給されなければならず、結果として熱が生じ、電力消費が大きい。不揮発性半導体装置はデータレートが低く、電力消費が比較的大きく、かなりの程度複雑である。典型的には、このようなセルの製造プロセスも信頼性が低い。

したがって、前述の欠点を克服する必要がある。

図１は、これらのニーズを満たすための有利な特性を含むある型のメモリ装置３０を示す。メモリ装置３０は、電極３２（たとえば銅）、電極３２上の硫化銅層３４、層３４上のたとえば酸化銅層などの活性層３６、および活性層３６上の電極３８（たとえばチタン）を含む。当初は、メモリ装置３０がプログラムされていないと仮定して、メモリ装置３０をプログラムするために、正の電圧が電極３２に加えられる一方で接地が電極３８に与えられ、その結果、電位Ｖ_pg（「プログラミング」電位）が、メモリ装置３０の順方向においてより高い電位からより低い電位に、メモリ装置３０にわたって与えられる（図２の、メモリ装置電流対メモリ装置３０にわたって与えられる電位のプロット参照）。この電位は、導電性フィラメントが形成され、活性層３６（およびメモリ装置３０全体）を（順方向の）低抵抗または導電状態にするように、銅イオンが層３４から電極３８へ、および活性層３６へと引付けられるようにする（Ａ）のに十分である。このような電位の除去に際して（Ｂ）、プログラミングステップ中に活性層３６に引寄せられたイオンはそこに残存し、その結果、活性層３６（およびメモリ装置３０）は導電性または低抵抗状態のまま残る。

プログラムされた（導電）状態のメモリ装置３０の読出しステップでは、電位Ｖ_r（「読出された」電位）がメモリ装置３０の順方向においてより高い電位からより低い電位へとメモリ装置３０にわたって与えられる。この電位は、プログラムのためにメモリ装置３０にわたって与えられる電位Ｖ_pgよりも小さい（上記参照）。この状況では、メモリ装置３０は容易に電流（Ｌｌ）を伝導し、それはメモリ装置３０がプログラムされた状態にあることを示す。

メモリ装置を消去するために正の電圧が電極３８に加えられる一方で、電極３２は接地で保持され、その結果、電位Ｖ_er（「消去」電位）がメモリ装置３０の逆方向においてより高い電位からより低い電位へとメモリ装置３０にわたって与えられる。この電位は、銅イオンが活性層３６から電極３２へ、および層３４（Ｃ）へと退けられるのに十分であり、その結果、活性層３６（およびメモリ装置３０全体）を高抵抗または実質的に非導電状態にする。このような電位をメモリ装置３０から除去する際、この状態のまま残る。

消去された（実質的に非導電性の）状態のメモリ装置３０の読出しステップにおいて、電位Ｖ_rは、ここでも上述のように、メモリ装置３０の順方向においてより高い電位からより低い電位へとメモリ装置３０にわたって与えられる。活性層３４（およびメモリ装置
３０）が高抵抗または実質的に非導電状態にあるので、メモリ装置３０は著しい電流（Ｌ２）を伝導せず、これはメモリ装置３０が消去された状態にあることを示す。

メモリ装置は、プログラムされた場合、そのプログラムされた状態を長期間、すなわちその状態が消去された状態に変更されるよう所望されるまで保持できることが極めて望ましいことが理解される。同様に、メモリ装置は、消去された場合、その状態を、選んだように長期間保持できることが極めて望ましい。上述の装置が動作において有効である一方で、時間の経過とともに、プログラムされた装置において形成された導電性フィラメントは故障することがあり、メモリ装置の導電率を著しく減じ、その結果、メモリ装置は望ましくないがプログラムされた状態でなくなることがわかっている。装置が、プログラムされた状態、消去された状態を所望のように安定的に保持できることが極めて望ましいことが理解される。さらに、上述のプログラム動作および消去動作は比較的大きな電流を必要とし、そのため比較的大きなエネルギ消費を結果として生じる。プログラム電流および消去電流を減少させて電力消費を減じることが望ましいことがさらに理解される。装置の切替え速度を向上させることが望ましいことも理解される。

発明の開示
広義には、本方法はメモリ装置の状態を変更するための方法であって、メモリ装置は、第１の電極と、第１の電極上にあってその電極に接する受動層と、受動層上にあってその層に接する活性層と、活性層上にあってその活性層に接する第２の電極とを有する。装置を低抵抗状態にプログラムすることは、活性層の導電率を増加させるために電荷キャリヤを活性層に動かすことを含み、装置を高抵抗状態に消去することは、活性層の導電率を減少させるために電荷キャリヤを活性層から動かすことを含む。

本発明は、添付図面に関連して下記の詳細な説明を考慮することにより一層よく理解される。以下の記載から当業者に容易に明らかになるように、本発明を行なうための最良の形態の単なる例示として本発明の実施例が示され、記載される。本発明は、認識されるように他の実施例も可能であり、いくつかの詳細はすべて修正およびさまざまな明白な局面が本発明の範囲を逸脱することなく可能である。したがって、図面および詳細な説明はその性質上例示であって限定ではないとみなされる。

本発明の特性と考えられる新規な特徴は添付の請求項で述べられる。しかしながら、発明自体が、前記好ましい使用の形態およびそのさらなる目的および利点とともに、例示的な実施例の下記の詳細な説明を参照することにより添付図面に関連して最も良く理解されるであろう。

発明の最良の形態
本発明を実施するために発明者らによって現在考慮される最良の形態を示す、本発明の具体的な実施例がここで詳細に言及される。

１９９１年２月発行の応用物理学誌（J.Apl.Phys.）６９（４）、２３６５−２３６９頁の、Ａ．Ｅ．ラクシャニ（A. E. Rakhshani）の論文「Ｃｕ₂Ｏ薄膜の電気的性質の評価における空間電荷制限電流の伝導の役割（The role of space-charge-limited-current conduction in evaluation of the electrical properties of thin Cu₂O films）」が参照され、引用により本願明細書に援用される。

図３は、本発明で用いられるメモリ装置１３０の第１の実施例を示す。最初に銅電極１３２が形成される。その表面は、Ｈ₂Ｓ、元素のＳまたは水生硫酸アンモニウムで硫化され、電極１３２上にあってその電極に接した２０−１００オングストロームの厚さのＣｕ
₂Ｓ受動層１３４を形成する。層１３４の表面は酸化され、受動層１３４上にあってその層に接した３０−２００オングストロームの厚さの酸化銅活性層１３６を形成する。この製造工程は、活性層１３６において深い電荷キャリヤトラップを形成する。チタン電極１３８が、たとえばＤＣもしくはＲＦスパッタリングまたは蒸着によって、活性層１３６上にあってその活性層に接して形成される。図３は製作されたメモリ装置１３０を示し、層１３４、１３６は電極１３２、１３８の間に形成される。

図４は、より大きな電子構造１５０の一部としてのメモリ装置１３０を示す。構造１５０は、トランジスタ１４０のソースおよびドレインがそこに形成された半導体基板１５２を含む。窒化物層１６０をその上に有する誘電体層１５４が基板１５２上に与えられる。銅プラグ１６４、１６６は誘電体層１５４および窒化物層１６０を通って延在し、トランジスタ１４０のソースおよびドレインに接触する。

この構造に別の誘電体層１６２が重なる。銅プラグ１６４、１６６は、誘電体層１６２を通って延在し、銅プラグ１５６、１５８にそれぞれ接触する。結果として生じる構造上に窒化物層１６８が与えられ、窒化物層１６８上には誘電体層１７０が与えられる。銅プラグ１７２は、窒化物層１６８および誘電体層１７０を通って延在し、銅プラグ１６６に接触する。電極１３２、受動層１３４および活性層１３６は、積み重ねられた構成で、窒化物層１６８および誘電体層１７０を通って延在し、電極１３２は銅プラグ１６４と接触する。電極１３８が活性層１３６上に形成され、その結果、メモリ装置１３０全体が形成される。電極１７４は銅プラグ１７２に接して形成される。

メモリ装置１３０がトランジスタ１４０と直列に接続することが理解される。図５−図８はこの構成を示し、さらに本方法を示す。

メモリ装置１３０（図５および図６）のプログラミングの際に正の電圧Ｖ_pg1が電極１３８に与えられる一方でトランジスタ１４０のソースが設置に接続され、その結果、電位が、電極１３８から電極１３２の方向に（かつ活性層１３６から受動層１３４への方向に）より高い電位からより低い電位に、電極１３８、１３２にわたって与えられる。トランジスタ１４０のゲートに与えられた電圧Ｖ_g1は、プログラミング動作中に装置１３０を通る電流を制限するようなレベルに設定される。プログラミング動作は電荷キャリヤ、すなわち、電子および／またはホールが活性層１３６の既存のトラップへと動き、そこで保持されるようにする。電荷キャリヤは、電子、ホール、または電子とホールとの組合わせであってもよい。これらの電荷キャリヤの動きは、活性層１３６（およびメモリ装置１３０全体）が、低抵抗状態または導電状態、すなわちプログラムされた状態を採用し、その状態にあるようにする。このような電位の除去に際して、プログラミングステップ中に活性層１３６に引寄せられた電荷キャリヤは、活性層１３６内に残るために、深いトラップに残存してそれによって保持され、その結果、活性層１３６（およびメモリ装置１３０）は導電状態または低抵抗状態にあるままである。

メモリ装置１３０を消去する際に（図７および図８）、正の電圧Ｖ_er1がトランジスタ１４０のソースに与えられる一方で、接地が電極１３８に与えられ、その結果、電位が、電極１３２から電極１３８への方向に（かつ受動層１３４から活性層１３６への方向に）より高い電位からより低い電位へと電極１３８、１３２にわたって与えられる。トランジスタ１４０のゲートの電圧Ｖ_g2は、消去動作中に装置１３０を通る電流を制限するようなレベルに設定される。この動作は電荷キャリヤが活性層１３６から動くようにする。これらの電荷キャリヤの動きは、活性層１３６（およびメモリ装置１３０全体）が高抵抗状態または消去された状態になるようにする。このような電位の除去に際して、この消去された状態が維持され、その結果、活性層１３６（およびメモリ装置１３０）は消去された状態または高抵抗状態のままである。

図９は、先行技術のイオン切替え（ion switching）と比較して電子切替え（electronic switching）（電子および／またはホールの動き）の形式をとる本方法を実施するときの、メモリ装置１３０の有利な動作特性を示す。装置１３０は、上記の記載にしたがって４ボルト未満のＶ_pg1を与えることにより有効にプログラムすることができる（高抵抗状態から低抵抗状態へ変更される）ことがわかっている（図９は、上述のように接地が与えられた場合のプログラミング電圧Ｖ_pg1＝２．７ボルトを示す）。消去された状態からプログラムされた状態への切替えは極めて迅速であり（図１０参照）、ゲートがたとえば２．０ボルトに設定された電流制限トランジスタ１４０は、プログラミング動作における電流を非常に低レベルに制限する（図９において約４５μａとして示される）。同様に、装置１３０は、上記の記載にしたがって約１．２ボルトのＶ_erを与えることにより有効に消去される（低抵抗から高抵抗状態へ変更される）ことができることがわかった（図９は、上述のように接地が与えられた場合の消去電圧Ｖ_er＝１．２ボルトを示す）。ここでも、プログラムされた状態から消去された状態への切替えは非常に迅速である。電流制限トランジスタ１４０のゲート電圧がたとえば４．０ボルトに設定され、また消去電圧が非常に低いので、消去動作における電流は非常に小さい。このように、迅速な切替えおよび低消費電力が達成される。

図９に示されるように、装置（プログラムされたものおよび消去されたものの両方）は非線形の電流特性を示す（曲線ＡおよびＢ参照）。この非線形特性は、装置１３０内の空間電荷制限電流の伝導に起因する。

上述のような電子切替えを利用する本方法が、イオン切替え手法と比較した場合、極めて向上したデータ保持をもたらすことがさらにわかっている。図１１は、Ｖ_r＝０．４ボルトが与えられて読取られた、プログラムされた装置についてのデータ保持時間を示す。見られるように、装置１３０を通って読取られた電流は、非常に長期間にわたってほんのわずかに下がるだけである。これは、プログラムされた装置１３０がその導電状態、すなわちプログラムされた状態を長期間保持することを明らかに示す。

装置１３０は、たとえば最大１５００度までの高温でこの強い安定性を実証した。
図１２−図１５は本発明の第２の実施例を示す。このメモリ装置２３０は、銅電極２３２、銅電極２３２上にあってその電極に接する（銅電極の酸化によって形成される）酸化銅活性層２３４、および活性層２３４上にあってその活性層に接するチタン電極２３６を含み、その結果、活性層２３４は電極２３２と電極２３６との間にある。上述のように、装置２３０には電流制限トランジスタ２４０が直列で与えられる。前の実施例と同様に、メモリ装置２３０のプログラミングの際に正の電圧Ｖｐ_pg2が電極２３６に与えられ、接地が電極２３２に与えられるので、電位が、電極２３６から電極２３２への方向においてより高い電位からより低い電位へと装置２３０にわたって与えられる。これにより、前の実施例と同様に、電子および／またはホールの形をした電荷キャリヤが活性層２３４に入って活性層２３４内の既存のトラップによって保持されるようにし、メモリ装置２３０全体が導電性の低抵抗（プログラムされた）状態を採用してその状態にあるようにする。電位を逆にすること（すなわち、電極２３２に接地が与えられ、電極２３６に正の電圧_er2が与えられること）により、電位が、電極２３２から電極２３６への方向においてより高い電位からより低い電位へと装置２３０にわたって与えられ、電荷キャリヤが活性層２３４から出るようにさせて、その結果、メモリ装置２３０全体が高抵抗（消去された）状態を採用し、その状態になるようにする。前の実施例と同様に、１つの状態から別の状態への切替えは非常に迅速であり、トランジスタ２４０は、選択されたゲート電圧Ｖ_g3、Ｖ_g4をそれぞれ用いて装置２３０を通る電流を制限するよう作用し、低電力動作を確実にする。

両方の実施例において、活性層を形成するプロセス自体によって活性層内でトラップが形成される。活性層は、ドープされないという意図をもって形成されるという意味で、またドーパントの導入が本発明の実行に必要でないという意味で、ドープされていない。

非常に迅速な態様かつ非常に低消費電力で、メモリ装置が１つの状態から別の状態へと切替えられ得る手法が、本願明細書で与えられることが理解される。この手法を用いると、メモリ装置は、非常に長期間にわたって安定した態様で選択された状態を維持することができる。

本発明の実施例の先の記載は例示および説明の目的のために示された。網羅的であったり、開示された通りの形式に発明を限定したりするようには意図されない。上記の教示に照らして他の修正または変更が可能である。

実施例は、本発明の原理の最良の例示および実際の適用例を与えるために選ばれ、記載されており、それによって当業者が、特定的に考慮される使用に適するように、さまざまな実施例において、またさまざまな修正を伴って、本発明を利用することができる。このような修正および変化はすべて、添付の請求項が適正に、法的に、公平に与えられる広さに従って解釈された場合に請求項によって決定される発明の範囲内にある。

上記のメモリ装置の断面図である。 図１のメモリ装置の動作特性を示す電流対電圧のプロットである。 このメモリ装置の第１の実施例の断面図である。 集積回路の一部としての図３のメモリ装置の断面図である。 本方法による図３のメモリ装置のプログラミングおよび消去を示す図である。 本方法による図３のメモリ装置のプログラミングおよび消去を示す図である。 本方法による図３のメモリ装置のプログラミングおよび消去を示す図である。 本方法による図３のメモリ装置のプログラミングおよび消去を示す図である。 図５から図８の本方法による、図３のメモリ装置の動作特性を示す電流対電圧のプロットである。 図３の装置の状態をプログラムし読出す際の電流および電圧を示すグラフである。 本方法を実施するときの図３の装置のデータ保持を示すグラフである。 本方法によるメモリ装置の第２の実施例のプログラミングおよび消去を示す図である。 本方法によるメモリ装置の第２の実施例のプログラミングおよび消去を示す図である。 本方法によるメモリ装置の第２の実施例のプログラミングおよび消去を示す図である。 本方法によるメモリ装置の第２の実施例のプログラミングおよび消去を示す図である。

Claims (14)

1. 第１および第２の電極（１３２、１３８または２３２、２３６）と、第１および第２の電極（１３２、１３８または２３２、２３６）の間のドープされていない活性層（１３６または２３４）とを含むメモリ装置（１３０または２３０）の状態を変更する方法であって、前記方法は電荷キャリヤを活性層（１３６または２３４）に動かすステップを含み、
   メモリ装置（１３０または２３０）は、空間電荷制限電流の伝導に基づく電子切替えによりプログラム状態と消去状態との間の切替えがイオン切替えと比較して迅速化される、方法。
2. メモリ装置（１３０または２３０）の状態を変更している間にメモリ装置（１３０または２３０）を通る電流を制限するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 電荷キャリヤは活性層（１３６または２３４）内のトラップに動かされる、請求項１に記載の方法。
4. メモリ装置（１３０または２３０）は、より高抵抗状態からより低抵抗状態へと変更される、請求項１に記載の方法。
5. 第１および第２の電極（１３２、１３８または２３２、２３６）と、第１および第２の電極（１３２、１３８または２３２、２３６）の間のドープされていない活性層（１３６または２３４）とを含むメモリ装置（１３０または２３０）の状態を変更する方法であって、前記方法は電荷キャリヤを活性層（１３６または２３４）から動かすステップを含み、
   メモリ装置（１３０または２３０）は、空間電荷制限電流の伝導に基づく電子切替えによりプログラム状態と消去状態との間の切替えがイオン切替えと比較して迅速化される、方法。
6. メモリ装置（１３０または２３０）の状態を変更している間にメモリ装置（１３０または２３０）を通る電流を制限するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 電荷キャリヤは、活性層（１３６または２３４）内のトラップから動かされる、請求項５に記載の方法。
8. メモリ装置（１３０または２３０）は、より低抵抗状態からより高抵抗状態へと変更される、請求項５に記載の方法。
9. より高抵抗状態からより低抵抗状態へとメモリ装置（１３０）の状態を変更する方法であって、メモリ装置（１３０）は、第１の電極（１３２）と、第２の電極（１３８）と、第１および第２の電極（１３２、１３８）の間の受動層（１３４）と、第１および第２の電極（１３２、１３８）の間の活性層（１３６）とを含み、前記方法は電荷キャリヤを活性層（１３６）に動かすステップを含み、
   メモリ装置（１３０）は、空間電荷制限電流の伝導に基づく電子切替えによりプログラム状態と消去状態との間の切替えがイオン切替えと比較して迅速化される、方法。
10. 電荷キャリヤは活性層（１３６）内のトラップに動く、請求項９に記載の方法。
11. メモリ装置（１３０）の状態を変更している間にメモリ装置（１３０）を通る電流を制限するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
12. より低抵抗状態からより高抵抗状態へとメモリ装置（１３０）の状態を変更する方法であって、メモリ装置（１３０）は、第１の電極（１３２）と、第２の電極（１３８）と、第１および第２の電極（１３２、１３８）の間の受動層（１３４）と、第１および第２の電極（１３２、１３８）の間の活性層（１３６）とを含み、前記方法は電荷キャリヤを活性層（１３６）から動かすステップを含み、
    メモリ装置（１３０）は、空間電荷制限電流の伝導に基づく電子切替えによりプログラム状態と消去状態との間の切替えがイオン切替えと比較して迅速化される、方法。
13. 電荷キャリヤは活性層（１３６）内のトラップから動く、請求項１２に記載の方法。
14. メモリ装置（１３０）の状態を変更している間にメモリ装置（１３０）を通る電流を制限するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。