JP5103470B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
InαGeXSbYTeZMβ (1)
(ここで、式中のα、X、Y、Zおよびβは、それぞれ0.1≦α≦0.4、0.04≦X≦0.3、0.03≦Y≦0.2、0.3≦Z≦0.6、0.01≦β≦0.05であり、Mは、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Ti、Ta、Pb、Si、Fe、Co、Ni、Eu、Pdからなる群より選ばれた少なくとも1種類の元素である)で表されるカルコゲナイド膜で構成されているものである。
本実施の形態の半導体装置は、相変化材料を含む抵抗素子とMISトランジスタ(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタとを直列に接続した構造を有する不揮発性メモリ素子を備えており、後述するように、その主要な特徴は、上記抵抗素子の記憶層を構成する相変化材料にある。以下においては、まず、このメモリ素子を含む半導体装置の主要部分の構成から説明する。
第一に、初期状態が‘1’の抵抗素子RMに‘1’を書き込む場合は、セット電流が印加されると、セット(結晶)状態の低抵抗曲線を辿って初期状態とセット領域との間を往復するので、状態が保持される。
(ここで、式中のα、X、Y、Zおよびβは、それぞれ0.1≦α≦0.4、0.04≦X≦0.3、0.03≦Y≦0.2、0.3≦Z≦0.6、0.01≦β≦0.05である。また、Mは、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Ti、Ta、Mo、Pb、Si、Fe、Co、Ni、Eu、Pdからなる群より選ばれた少なくとも1種類の元素である)
上記した元素Mは、いずれも単独で結晶化した時に体心立方格子の結晶になり易い遷移金属である。体心立方格子は、剛体球を密に積み上げたような構造であるから、金属元素が、その位置や間隔に自己主張無く詰まる性質を持っていることを示す。このことが、結晶核の形成を助けることと関連しているものと考えられる。
本実施の形態の半導体装置は、抵抗素子RMの記憶層を構成するカルコゲナイド膜の組成に特徴があり、前記一般式(1)のMで表される元素の濃度が、下部電極側で高く、上部電極側で低くなっている。
本実施の形態は、前述した実施の形態1または実施の形態2の半導体装置が形成された半導体チップに対して温度処理を行うものである。
図38は、本実施の形態の半導体装置を示す回路図である。本実施の形態の半導体装置は、前記実施の形態1または実施の形態2の抵抗素子RMの上部電極(88)に下部電極(85)よりも高い電圧を印加して動作させることを特徴としている。
本実施の形態では、前述した実施の形態4とは異なる回路構成とその動作の一例について説明する。図41は、本実施の形態の半導体装置の回路構成を示す図である。この半導体装置は、n×mビットのメモリセルMCを有するメモリセルアレイを備えている。メモリセルMCは、前記実施の形態1と同じく、メモリセルトランジスタQMと、前記一般式(1)で表されるカルコゲナイド材料を用いた記憶層(87)を有する抵抗素子RMとで構成されている。回路構成の特徴は、前記実施の形態4(図38)ではメモリセル当たり一本だったビット線BLをもう一本追加し、ビット線対(BLL、BLR)とワード線WLとの各交点にメモリセルMCを配置することによって、抵抗素子RMに対して逆方向の電圧を印加できるようにしたことにある。
Claims (10)
- 抵抗素子と、前記抵抗素子に直列に接続されたMISトランジスタとによって構成された相変化メモリを有する半導体装置であって、
前記抵抗素子は、下部電極を構成する第1導電層と、記憶層を構成するカルコゲナイド膜と、上部電極を構成する第2導電層とを含んで構成され、
前記抵抗素子の記憶層は、平均組成が下記の一般式(1)
InαGeXSbYTeZMβ (1)
(ここで、式中のα、X、Y、Zおよびβは、それぞれ0.1≦α≦0.4、0.04≦X≦0.3、0.03≦Y≦0.2、0.3≦Z≦0.6、0.01≦β≦0.05であり、Mは、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Ti、Ta、Pb、Si、Fe、Co、Ni、Eu、Pdからなる群より選ばれた少なくとも1種類の元素である)で表されるカルコゲナイド膜からなることを特徴とする半導体装置。 - 前記記憶層は、前記一般式(1)中のMで表される元素の濃度が異なる複数層のカルコゲナイド膜からなり、複数層のカルコゲナイド膜中のM濃度は、前記下部電極側で高く、前記上部電極側で低いことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記下部電極側のM濃度と、前記上部電極側のM濃度との差は、5原子%以上であることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
- 前記一般式(1)中のMは、原子番号40以上の遷移金属元素であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記下部電極を構成する第1導電層は、層間絶縁膜に設けられた接続孔の内部に形成され、
前記記憶層を構成するカルコゲナイド膜と、前記上部電極を構成する第2導電層とは、前記層間絶縁膜上に形成され、
前記第1導電層と前記カルコゲナイド膜との間には、両者の剥離を防止する接着層が設けられていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記記憶層を構成するカルコゲナイド膜は、5重量%以下の窒素または酸素を含んでいることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記相変化メモリに情報を書き込む際には、前記上部電極側に前記下部電極側よりも高い正電圧を印加することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記相変化メモリに情報を書き込む際には、セット時とリセット時で前記上部電極と前記下部電極との間の電圧極性を逆に設定することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記セット時には前記上部電極側をプラスとし、前記リセット時に前記下部電極側をプラスとすることを特徴とする請求項8記載の半導体装置。
- 抵抗素子と、前記抵抗素子に直列に接続されたMISトランジスタとによって構成された相変化メモリを有する半導体装置の製造方法であって、
前記抵抗素子は、下部電極を構成する第1導電層と、記憶層を構成するカルコゲナイド膜と、上部電極を構成する第2導電層とを含んで構成され、
前記抵抗素子の記憶層は、平均組成が下記の一般式(1)
InαGeXSbYTeZMβ (1)
(ここで、式中のα、X、Y、Zおよびβは、それぞれ0.1≦α≦0.4、0.04≦X≦0.3、0.03≦Y≦0.2、0.3≦Z≦0.6、0.01≦β≦0.05であり、Mは、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Ti、Ta、Pb、Si、Fe、Co、Ni、Eu、Pdからなる群より選ばれた少なくとも1種類の元素である)で表されるカルコゲナイド膜からなり、
前記半導体装置が形成された半導体基板を前記カルコゲナイド膜の結晶化温度以上の温度でリフロー実装する工程に先立って、前記半導体基板を前記結晶化温度未満の高温雰囲気に曝す工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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