JP5103932B2 - Storage element and storage device - Google Patents

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  • Semiconductor Memories (AREA)

Description

本発明は、情報を記録することができる記憶素子及び記憶素子を用いた記憶装置に係わる。   The present invention relates to a memory element capable of recording information and a memory device using the memory element.

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。   In information equipment such as a computer, a high-speed and high-density DRAM is widely used as a random access memory.

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。
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。
However, a DRAM has a higher manufacturing cost because a manufacturing process is more complicated than a general logic circuit LSI or signal processing used in an electronic device.
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).

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、フラッシュメモリ、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。
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。
Thus, for example, flash memories, FeRAMs (ferroelectric memories), MRAMs (magnetic storage elements), and the like have been proposed as nonvolatile memories whose information does not disappear even when the power is turned off.
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.
Accordingly, extensive research and product development have been conducted on the various types of nonvolatile memories described above.

しかしながら、上述した各種の不揮発性のメモリは、それぞれ一長一短がある。
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があり、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。
However, the various nonvolatile memories described above have advantages and disadvantages.
Flash memory has a high degree of integration, but is disadvantageous in terms of operation speed.
FeRAM has a limit in microfabrication for high integration and has a problem in a manufacturing process.
MRAM has a problem of power consumption.

そこで、特にメモリ素子の微細加工の限界に対して有利な、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1参照)。
Therefore, a new type of storage element has been proposed that is particularly advantageous for the limit of microfabrication of the memory element.
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. By diffusing, electrical characteristics such as resistance value or capacitance of the ionic conductor change.
A memory device can be configured using this characteristic (see, for example, Patent Document 1).

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,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,Znを含んでいる(上記特許文献1参照)。   Specifically, the ionic conductor is made of a solid solution of chalcogenide and a metal, and more specifically, made of a material in which Ag, Cu, Zn is dissolved in AsS, GeS, GeSe, and one of the two electrodes. One electrode contains Ag, Cu, and Zn (see Patent Document 1).

特表2002−536840号公報Special Table 2002-536840 Publication

上述した記憶素子の構成では、記憶素子に情報を記録した後に、長時間にわたって放置した場合や、室温よりも高い温度雰囲気で放置した場合に、記憶素子の抵抗値が変化してしまい、記録された情報を保持できなくなる問題がある。
このように、情報保持能力が低いと、不揮発メモリに用いる素子特性としては不充分である。
In the structure of the memory element described above, when information is recorded on the memory element and then left for a long time or when left in a temperature atmosphere higher than room temperature, the resistance value of the memory element changes and is recorded. There is a problem that it becomes impossible to hold the information.
Thus, when the information retention capability is low, the element characteristics used in the nonvolatile memory are insufficient.

また、高抵抗状態から低抵抗状態へと遷移するいわゆる「書き込み」動作、並びに低抵抗状態から高抵抗状態へと遷移するいわゆる「消去」動作において、記憶素子に流す電流値は少ないほうが望ましく、消費電力を低減する上で有利である。   In addition, in a so-called “write” operation that transitions from a high-resistance state to a low-resistance state, and a so-called “erase” operation that transitions from a low-resistance state to a high-resistance state, it is desirable that the current value flowing through the memory element is small. This is advantageous in reducing power.

ところで、比較的大きい電流で書き込み/消去動作させた場合に、優れた情報保持特性が得られていても、同じ構成(材料・寸法)の記憶素子に対して、より低い電流で書き込み/消去動作させると、充分な情報保持特性が得られないことがある。一般的に、駆動電流が低くなるほど、情報保持特性が低下していく。
記憶素子を駆動するトランジスタとして、面積が大きく駆動能力が大きいトランジスタを使用すれば、記憶素子に大きい電流を流すことができるが、面積が小さく駆動能力が小さいトランジスタを使用すると、記憶素子に流せる電流量が小さくなる。
そして、メモリの高密度化を図るために、メモリの回路を縮小しようとすると、記憶素子を駆動するトランジスタの大きさも縮小する必要があるため、トランジスタの電流駆動能力も低くなる。
By the way, when a write / erase operation is performed with a relatively large current, a write / erase operation can be performed at a lower current with respect to a memory element having the same configuration (material / dimension) even if excellent information retention characteristics are obtained. If this is done, sufficient information retention characteristics may not be obtained. In general, the information retention characteristics decrease as the drive current decreases.
If a transistor with a large area and a large driving capability is used as a transistor for driving the memory element, a large current can flow through the memory element. However, if a transistor with a small area and a small driving capability is used, a current that can be passed through the memory element. The amount becomes smaller.
In order to reduce the memory circuit in order to increase the density of the memory, it is necessary to reduce the size of the transistor for driving the memory element, so that the current driving capability of the transistor is also lowered.

従って、メモリの高密度化のためには、より低い電流で記憶素子を動作させても、必要な情報保持特性が得られることが要求される。   Therefore, in order to increase the density of the memory, it is required to obtain necessary information retention characteristics even when the memory element is operated at a lower current.

上述した問題や課題の解決のために、本発明においては、低電流で書き込み/消去動作を行っても、情報保持が可能である記憶素子、並びに記憶素子を用いた記憶装置を提供するものである。   In order to solve the problems and problems described above, the present invention provides a memory element that can retain information even when a write / erase operation is performed at a low current, and a memory device using the memory element. is there.

本発明の記憶素子は、第1の電極及び第2の電極の間に記憶層が挟まれて構成され、この記憶層が、イオン化するCuを含有するイオン化層と、このイオン化層よりも充分に抵抗値の高い高抵抗層とから成り、イオン化層がCuTeSi膜であり、イオン化層において、Cu含有量(原子%)/Te含有量(原子%)の組成比が1以上3以下であり、イオン化層におけるSiの含有量(原子%)が10%以上45%以下であり、高抵抗層が、希土類元素、Si、Cuから選ばれる1種の以上の元素を含む酸化物から成るものである。
本発明の記憶装置は、上記本発明の記憶素子と、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ものである。
The memory element of the present invention is configured by sandwiching a memory layer between a first electrode and a second electrode, and the memory layer is sufficiently more than the ionized layer containing Cu to be ionized and the ionized layer. It consists of a high resistance layer having a high resistance value, and the ionization layer is a CuTeSi film, and in the ionization layer, the composition ratio of Cu content (atomic%) / Te content (atomic%) is 1 or more and 3 or less. The Si content (atomic%) in the layer is 10% or more and 45% or less , and the high resistance layer is made of an oxide containing one or more elements selected from rare earth elements, Si, and Cu .
A memory device of the present invention includes the memory element of the present invention, a wiring connected to the first electrode side, and a wiring connected to the second electrode side, and a large number of memory elements are arranged. Is.

上述の本発明の記憶素子の構成によれば、第1の電極及び第2の電極の間に記憶層が挟まれて構成され、この記憶層が、イオン化するCuを含有するイオン化層と、このイオン化層よりも充分に抵抗値の高い高抵抗層とから成ることにより、記憶層に含まれる高抵抗層の抵抗状態が変化することを利用して情報を記憶することが可能になる。   According to the configuration of the memory element of the present invention described above, the memory layer is configured to be sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the memory layer includes an ionized layer containing Cu to be ionized, By comprising a high resistance layer having a resistance value sufficiently higher than that of the ionized layer, information can be stored by utilizing the change in the resistance state of the high resistance layer included in the memory layer.

具体的には、例えば、Cuを含有するイオン化層側の一方の電極に正電位を印加して記憶素子に正電圧をかけると、イオン化層に含まれているCuがイオン化して高抵抗層内に拡散し、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、或いは、高抵抗層中に留まり絶縁膜の不純物準位を形成することによって、高抵抗層の抵抗値が低くなり、高抵抗層を含む記憶層の抵抗値が低くなるので、これにより情報の書き込みを行うことが可能になる。
また、この状態から、イオン化層側の一方の電極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Cuが再びイオン化して、一方の電極側に戻ることによって記憶層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。
Specifically, for example, when a positive potential is applied to one electrode on the ionization layer side containing Cu and a positive voltage is applied to the memory element, Cu contained in the ionization layer is ionized to be in the high resistance layer. The resistance value of the high-resistance layer is lowered by diffusing to and depositing by combining with electrons at the other electrode side, or by forming impurity levels in the insulating film that remain in the high-resistance layer. Since the resistance value of the memory layer including the high resistance layer is lowered, information can be written.
Also, from this state, when a negative potential is applied to one electrode on the ionization layer side and a negative voltage is applied to the memory element, Cu deposited on the other electrode side is ionized again, and is applied to one electrode side. By returning, the resistance value of the storage layer returns to the original high state, and the resistance value of the storage element also increases, so that the recorded information can be erased.

そして、記憶層がイオン化層よりも充分に抵抗値の高い高抵抗層を有して成ることにより、記憶層の高抵抗状態の抵抗値を比較的高くすることができる。
また、イオン化層がCuTeSi膜であり、Te(カルコゲナイド元素)を含有することにより、Cuのイオン化が促進される。
さらに、イオン化層がSiを含有することにより、Cuのイオンの移動度を小さくすることができ、また熱活性化エネルギーが小さくなり、Cuの熱拡散を抑制することができる。これにより、低抵抗状態或いは高抵抗状態において、Cuが局在した状態を保持して、記憶素子に電圧を印加しない限りは、Cu原子の移動が起こりにくくなる。このため、記憶層の抵抗状態を安定して保持することができ、情報保持特性を向上することができる。
さらに、イオン化層において、Cu含有量(原子%)/Te含有量(原子%)の組成比が1以上3以下であることにより、膜剥がれを生じることなく、正しく情報の記録や情報の消去を行うことができる。また、イオン化層におけるSiの含有量(原子%)が10%以上45%以下であることにより、充分な情報保持特性が得られる。
And since a memory layer has a high resistance layer whose resistance value is sufficiently higher than that of an ionized layer, the resistance value of the memory layer in a high resistance state can be made relatively high.
Moreover, the ionization layer is a CuTeSi film, and by containing Te (chalcogenide element) , ionization of Cu is promoted.
Furthermore, when the ionized layer contains Si, the mobility of Cu ions can be reduced, the thermal activation energy can be reduced, and the thermal diffusion of Cu can be suppressed. Accordingly, Cu atoms are less likely to move unless a voltage is applied to the memory element while Cu is maintained in a low resistance state or a high resistance state. For this reason, the resistance state of the memory layer can be stably maintained, and the information retention characteristics can be improved.
Furthermore, in the ionized layer, the composition ratio of Cu content (atomic%) / Te content (atomic%) is 1 or more and 3 or less, so that information can be recorded and erased correctly without causing film peeling. It can be carried out. Further, when the content (atomic%) of Si in the ionized layer is 10% or more and 45% or less, sufficient information retention characteristics can be obtained.

上述の本発明の記憶装置の構成によれば、上記本発明の記憶素子と、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ことにより、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。   According to the configuration of the memory device of the present invention described above, the memory element of the present invention, the wiring connected to the first electrode side, and the wiring connected to the second electrode side, By arranging a large number, the current can be passed from the wiring to the storage element, and information can be recorded or erased.

上述の本発明によれば、記憶素子の記憶層の抵抗状態を安定して保持することができ、情報保持特性を向上することができるので、低電流で書き込み/消去動作を行っても、情報を保持することが可能になる。
低電流で書き込み/消去動作を行うことにより、動作の際の消費電力を低減することができる。
また、低電流で書き込み/消去動作を行うことが可能になることにより、記憶素子を駆動する選択用のトランジスタの大きさを縮小化して、記憶装置のメモリセルを微細化することが可能になる。
According to the above-described present invention, the resistance state of the memory layer of the memory element can be stably held, and the information retention characteristics can be improved. Therefore, even if the write / erase operation is performed with a low current, the information It becomes possible to hold.
By performing the write / erase operation with a low current, the power consumption during the operation can be reduced.
In addition, since writing / erasing operations can be performed with low current, the size of a selection transistor for driving a memory element can be reduced and a memory cell of the memory device can be miniaturized. .

従って、本発明により、安定して動作し、消費電力が少ない、記憶装置(メモリ)を実現することができる。
また、記憶装置(メモリ)のメモリセルを微細化することが可能になることにより、記憶装置において、小型化や高密度化、記憶容量の増大が可能になる。
Therefore, according to the present invention, a storage device (memory) that operates stably and consumes less power can be realized.
In addition, since the memory cell of the storage device (memory) can be miniaturized, the storage device can be reduced in size, increased in density, and increased in storage capacity.

本発明の一実施の形態として、記憶素子10の概略構成図(断面図)を図1に示す。
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上に記憶層5が形成され、この記憶層5上に上部電極4が形成されて構成されている。
As an embodiment of the present invention, a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a memory element 10 is shown in FIG.
In the memory element 10, for example, a lower electrode 1, which is a connection portion with a CMOS circuit portion, is formed on a silicon substrate (see FIG. 2) on which a CMOS circuit is formed, and a memory layer is formed on the lower electrode 1. 5 is formed, and the upper electrode 4 is formed on the memory layer 5.

記憶層5は、例えば酸化物から成る高抵抗層2と、イオンとなる銅Cuを含むイオン化層3との積層から構成されている。   The memory layer 5 is composed of a stack of a high resistance layer 2 made of, for example, an oxide and an ionized layer 3 containing copper Cu that becomes ions.

下部電極1には、半導体プロセスに用いられる配線材料、例えばTiW,Ti,W,Cu,Al,Mo,Ta、シリサイド等を用いることができる。
また、Cu等の電界でイオン伝導が生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。
For the lower electrode 1, a wiring material used in a semiconductor process, for example, TiW, Ti, W, Cu, Al, Mo, Ta, silicide, or the like can be used.
In addition, when using an electrode material that may cause ion conduction in an electric field such as Cu, it is used by covering the Cu electrode with a material that is difficult to ionize or thermally diffuse such as W, WN, TiN, or TaN. Also good.

記憶層5を構成するイオン化層3は、銅Cuの他に、Te,Se,Sから選ばれる元素(カルコゲナイド元素)とSiを含有する構成とする。このようなイオン化層3には、例えば、CuTeSi,CuSSi,CuSeSiを用いることができる。
また、このようなイオン化層3を形成する方法としては、当該組成の膜を成膜する方法の他に、Cuを含んでいない合金膜(TeSi等)を成膜してから、所望の組成となるように、後からCu膜を成膜して、積層膜を形成し、熱処理等により各元素を拡散混合させる方法も考えられる。
The ionization layer 3 constituting the memory layer 5 is configured to contain an element (chalcogenide element) selected from Te, Se, and S in addition to copper Cu. For such an ionized layer 3, for example, CuTeSi, CuSSi, or CuSeSi can be used.
Further, as a method of forming such an ionized layer 3, in addition to a method of forming a film having the composition, an alloy film not containing Cu (such as TeSi) is formed, and then a desired composition is obtained. A method of forming a Cu film later to form a laminated film and diffusing and mixing each element by heat treatment or the like is also conceivable.

このイオン化層3は、好ましくは、膜厚を5nm以上とする。   The ionized layer 3 preferably has a thickness of 5 nm or more.

記憶層5を構成する高抵抗層2は、イオン化層3よりも、充分に抵抗値の高い構成とする。
この高抵抗層2には、酸化物や窒化物等を用いることができる。
より好ましくは、高抵抗層2に、希土類元素のうち、La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Yから選ばれる1種類以上の元素や、Si,Cuを含んだ酸化物を用いる。
The high resistance layer 2 constituting the memory layer 5 has a sufficiently higher resistance value than the ionization layer 3.
For the high resistance layer 2, an oxide, a nitride, or the like can be used.
More preferably, the high resistance layer 2 includes one or more elements selected from La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, and Y among rare earth elements, An oxide containing Si and Cu is used.

上部電極4には、下部電極1と同様に、通常の半導体配線材料が用いられる。   As with the lower electrode 1, a normal semiconductor wiring material is used for the upper electrode 4.

上述した構成の記憶層5(2,3)は、電圧パルス或いは電流パルスが印加されることにより、インピーダンスが変化する特性を有する。   The memory layer 5 (2, 3) having the above-described configuration has a characteristic that impedance changes when a voltage pulse or a current pulse is applied.

本実施の形態の記憶素子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。
まず、上部電極4に、例えば正電位(+電位)を印加して、下部電極1側が負になるように、記憶素子10に対して正電圧を印加する。これにより、イオン化層3からCuイオンがイオン伝導し、下部電極1側で電子と結合して析出し、高抵抗層2の中にCu電流パスが形成されることによって、高抵抗層2の抵抗値が低くなる。高抵抗層2以外の各層は、高抵抗層2の抵抗値に比べて、元々抵抗値が低いので、高抵抗層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。
The storage element 10 of this embodiment can be operated as follows to store information.
First, for example, a positive potential (+ potential) is applied to the upper electrode 4, and a positive voltage is applied to the memory element 10 so that the lower electrode 1 side becomes negative. As a result, Cu ions are ion-conducted from the ionized layer 3, are combined with electrons on the lower electrode 1 side, and are deposited, and a Cu current path is formed in the high-resistance layer 2. The value becomes lower. Each of the layers other than the high resistance layer 2 originally has a lower resistance value than the resistance value of the high resistance layer 2, so that the resistance value of the entire memory element 10 is also lowered by lowering the resistance value of the high resistance layer 2. be able to.

その後、正電圧を除去して、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。一度だけ記録が可能な記憶装置、いわゆる、PROMに用いる場合には、前記の記録過程のみで記録は完結する。   After that, when the positive voltage is removed and the voltage applied to the memory element 10 is eliminated, the resistance value is kept low. This makes it possible to record information. When used in a storage device that can be recorded only once, so-called PROM, the recording is completed only by the recording process.

一方、消去が可能な記憶装置、いわゆる、RAM或いはEEPROM等への応用には消去過程が必要であるが、消去過程においては、上部電極4に、例えば負電位(−電位)を印加して、下部電極1側が正になるように、記憶素子10に対して負電圧を印加する。これにより、高抵抗層2内に形成されていた電流パスのCuが酸化してイオン化し、イオン化層3に溶解もしくはTeと結合してCuTe、CuTe等の化合物を形成する。 On the other hand, an erasing process is necessary for application to a erasable storage device, so-called RAM or EEPROM, etc. In the erasing process, for example, a negative potential (−potential) is applied to the upper electrode 4, A negative voltage is applied to the memory element 10 so that the lower electrode 1 side is positive. Thereby, Cu in the current path formed in the high resistance layer 2 is oxidized and ionized, and dissolved in the ionized layer 3 or combined with Te to form a compound such as Cu 2 Te or CuTe.

すると、高抵抗層2内からCuによる電流パスが消滅、または減少して高抵抗層2の抵抗値が高くなる。高抵抗層2以外の各層は元々抵抗値が低いので、高抵抗層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。   Then, the current path due to Cu disappears or decreases from within the high resistance layer 2, and the resistance value of the high resistance layer 2 increases. Since each layer other than the high resistance layer 2 originally has a low resistance value, the resistance value of the entire memory element 10 can be increased by increasing the resistance value of the high resistance layer 2.

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。   After that, when the negative voltage is removed and the voltage applied to the memory element 10 is eliminated, the resistance value is kept high. As a result, the recorded information can be erased.

このような過程を繰り返すことにより、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。   By repeating such a process, it is possible to repeatedly record (write) information on the storage element 10 and erase the recorded information.

そして、例えば、抵抗値の高い状態を「0」の情報に、抵抗値の低い状態を「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。   For example, if a state with a high resistance value is associated with information “0” and a state with a low resistance value is associated with information “1”, the information recording process by applying a positive voltage changes from “0” to “ It can be changed from “1” to “0” in the process of erasing information by applying a negative voltage.

記録後の抵抗値は、記憶素子10のセルサイズ及び高抵抗層2の材料組成よりも、記録時に印加される電圧パルス或いは電流パルスの幅や電流量等の記録条件に依存し、初期抵抗値が100kΩ以上の場合には、およそ50Ω〜50kΩの範囲となる。
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、高抵抗層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。
高抵抗層2の抵抗値は、例えば、熱処理前の高抵抗層2の希土類元素、Cu、Siの酸化物に含まれる酸素の量や、酸化膜厚等により制御することが可能である。
The resistance value after recording depends on the recording conditions such as the width and current amount of the voltage pulse or current pulse applied during recording, rather than the cell size of the memory element 10 and the material composition of the high resistance layer 2, and the initial resistance value. Is 100 kΩ or more, the range is approximately 50Ω to 50 kΩ.
In order to demodulate the recording data, it is sufficient that the ratio of the initial resistance value to the resistance value after recording is approximately twice or more. Therefore, the resistance value before recording is 100Ω, and the resistance after recording is It is sufficient if the value is 50Ω, or the resistance value before recording is 100 kΩ and the resistance value after recording is 50 kΩ, and the initial resistance value of the high resistance layer 2 is set to satisfy such a condition. The
The resistance value of the high resistance layer 2 can be controlled by, for example, the amount of oxygen contained in the rare earth element, Cu, Si oxide of the high resistance layer 2 before heat treatment, the oxide film thickness, and the like.

上述した記憶素子10の構成によれば、下部電極1と上部電極4との間に、高抵抗層2と、Cuを含有するイオン化層3が挟まれた構成とすることにより、例えば、上部電極4に正電圧(+電位)を印加して、下部電極1側が負になるようにした場合に、高抵抗層2内に、Cuを多量に含む電流パスが形成されて、高抵抗層2の抵抗値が低くなり、記憶素子10全体の抵抗値が低くなる。そして、正電圧の印加を停止して、記憶素子10に電圧が印加されないようにすることで、抵抗値が低くなった状態が保持され、情報を記録することが可能になる。このような構成は、例えばPROM等の一度だけ記録が可能な記憶装置に用いることができる。   According to the configuration of the memory element 10 described above, the high resistance layer 2 and the ionized layer 3 containing Cu are sandwiched between the lower electrode 1 and the upper electrode 4. 4, when a positive voltage (+ potential) is applied so that the lower electrode 1 side becomes negative, a current path containing a large amount of Cu is formed in the high resistance layer 2, and the high resistance layer 2 The resistance value is lowered, and the resistance value of the entire memory element 10 is lowered. Then, by stopping the application of the positive voltage so that no voltage is applied to the memory element 10, the state in which the resistance value is low is maintained, and information can be recorded. Such a configuration can be used for a storage device capable of recording only once, such as a PROM.

また、例えば、RAMやEEPROM等の記録に加えて消去が可能な記憶装置に用いるような場合は、上述した記録後の状態の記憶素子10に対して、上部電極4に負電圧(−電位)を印加して、下部電極1側が正になるようにする。
これにより、高抵抗層2内に形成されていた、Cuによる電流パスが消滅して、高抵抗層2の抵抗値が高くなり、記憶素子10全体の抵抗値が高くなる。そして、負電圧の印加を停止して、記憶素子10に電圧が印加されないようにすることで、抵抗値が高くなった状態が保持され、記録されていた情報を消去することが可能になる。
Further, for example, when used in a storage device that can be erased in addition to recording such as RAM and EEPROM, a negative voltage (−potential) is applied to the upper electrode 4 with respect to the storage element 10 in the state after recording described above. Is applied so that the lower electrode 1 side becomes positive.
As a result, the Cu current path formed in the high resistance layer 2 disappears, the resistance value of the high resistance layer 2 increases, and the resistance value of the entire memory element 10 increases. Then, by stopping the application of the negative voltage so that no voltage is applied to the memory element 10, the state in which the resistance value is increased is maintained, and the recorded information can be erased.

上述した構成の記憶素子10を、多数マトリクス状に配置することにより、記憶装置(メモリ装置)を構成することができる。
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。
A memory device (memory device) can be configured by arranging a large number of memory elements 10 having the above-described configuration in a matrix.
For each memory element 10, a wiring connected to the lower electrode 1 side and a wiring connected to the upper electrode 4 side are provided. For example, each memory element 10 is disposed near the intersection of these wirings. What should I do?

また、例えば上部電極4に接続された配線をメモリセルアレイ全体に共通して形成して記憶装置を構成することが考えられる。
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。
Further, for example, it is conceivable to form a memory device by forming wirings connected to the upper electrode 4 in common for the entire memory cell array.
FIG. 2 and FIG. 3 show schematic configuration diagrams of an embodiment of the memory cell array configured as described above. 2 is a cross-sectional view, and FIG. 3 is a plan view.

図2及び図3に示すように、このメモリセルアレイでは、メモリセル全体にわたって、各メモリセルを構成する記憶素子10が、高抵抗層2・イオン化層3・上部電極4の各層を共有している。言い換えれば、各記憶素子10が、それぞれ同一層の高抵抗層2・イオン化層3・上部電極4により構成されている。   As shown in FIGS. 2 and 3, in this memory cell array, the memory element 10 constituting each memory cell shares the layers of the high resistance layer 2, the ionized layer 3, and the upper electrode 4 over the entire memory cell. . In other words, each memory element 10 is composed of the same high resistance layer 2, ionized layer 3, and upper electrode 4.

そして、共通に形成された上部電極4は、プレート電極PLとなるものである。
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。
The upper electrode 4 formed in common is the plate electrode PL.
On the other hand, the lower electrode 1 is individually formed for each memory cell, and each memory cell is electrically isolated. A memory element 10 of each memory cell is defined at a position corresponding to each lower electrode 1 by the lower electrode 1 formed individually for each memory cell.
The lower electrode 1 is connected to a corresponding selection MOS transistor Tr.

図2に示すように、メモリセルアレイの各メモリセルを構成するそれぞれの記憶素子10は、半導体基板11に形成されたMOSトランジスタTrの上方に形成されている。
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10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10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。
As shown in FIG. 2, each storage element 10 constituting each memory cell of the memory cell array is formed above the MOS transistor Tr formed on the semiconductor substrate 11.
The MOS transistor Tr includes a source / drain region 13 formed in a region separated by the element isolation layer 12 in the semiconductor substrate 11 and a gate electrode 14. A sidewall insulating layer is formed on the wall surface of the gate electrode 14.
The gate electrode 14 also serves as a word line WL which is one address wiring of the memory element 10.
One of the source / drain regions 13 of the MOS transistor Tr and the lower electrode 1 of the memory element 10 are electrically connected via the plug layer 15, the metal wiring layer 16, and the plug layer 17.
The other of the source / drain regions 13 of the MOS transistor Tr is connected to the metal wiring layer 16 through the plug layer 15. The metal wiring layer 16 is connected to the bit line BL (see FIG. 3) which is the other address wiring of the memory element 10.

また、図3においては、MOSトランジスタTrのアクティブ領域18を鎖線で示している。また、図3中21は、記憶素子10の下部電極1に通じるコンタクト部を示し、22は、ビット線BLに通じるコンタクト部を示している。   In FIG. 3, the active region 18 of the MOS transistor Tr is indicated by a chain line. In FIG. 3, reference numeral 21 denotes a contact portion that communicates with the lower electrode 1 of the memory element 10, and 22 denotes a contact portion that communicates with the bit line BL.

図2及び図3に示すメモリセルアレイは、例えば次のように動作させることができる。
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。
ここで、下部電極1に印加された電圧の極性が、上部電極4(プレート電極PL)の電位に比して負電位である場合には、記憶素子10の抵抗値が低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に情報を記録することができる。
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。
The memory cell array shown in FIGS. 2 and 3 can be operated as follows, for example.
When the gate of the selection MOS transistor Tr is turned on by the word line WL and a voltage is applied to the bit line BL, the voltage is applied to the lower electrode 1 of the selected memory cell via the source / drain of the MOS transistor Tr. Is done.
Here, when the polarity of the voltage applied to the lower electrode 1 is a negative potential compared to the potential of the upper electrode 4 (plate electrode PL), the resistance value of the memory element 10 transitions to a low resistance state. To do. Thereby, information can be recorded in the memory element 10 of the selected memory cell.
Further, by applying a voltage having a positive potential to the lower electrode 1 as compared with the potential of the upper electrode 4 (plate electrode PL), the resistance value of the memory element 10 transitions to the high resistance state again. Thereby, the recorded information can be erased from the storage element 10 of the selected memory cell.

また、記録された情報の読み出しを行うには、例えば、MOSトランジスタTrによりメモリセルを選択して、選択したメモリセルに対して、所定の電圧或いは電流を印加し、記憶素子10の抵抗状態により異なる電流或いは電圧を、ビット線BL或いはプレート電極PLの先に接続されたセンスアンプ等を介して検出する。
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。
In order to read out recorded information, for example, a memory cell is selected by the MOS transistor Tr, a predetermined voltage or current is applied to the selected memory cell, and the resistance state of the memory element 10 is changed. Different currents or voltages are detected via a sense amplifier or the like connected to the tip of the bit line BL or the plate electrode PL.
At this time, the voltage or current applied to the selected memory cell is set to be smaller than the threshold voltage or current at which the resistance value of the memory element 10 changes.

ところで、上述した記憶素子10に電圧を印加して、書き込み動作を行った後の低抵抗状態の抵抗値や、消去動作を行った後の高抵抗状態の抵抗値についての、抵抗値の保持特性は、イオン化元素であるCuとカルコゲナイド元素(例えば、Te)との組成比と、マトリックス元素の種類や組成比とに、依存する。   By the way, a resistance holding characteristic of the resistance value in the low resistance state after applying the voltage to the memory element 10 and performing the writing operation and the resistance value in the high resistance state after performing the erasing operation. Depends on the composition ratio between Cu, which is an ionizing element, and a chalcogenide element (for example, Te), and the type and composition ratio of the matrix element.

例えば、Cu/Teの組成比が1よりも小さい場合には、CuTe化合物が形成されやすく、Cuがイオン化すると2価のCu2+の状態で存在しやすい。
2価のCu2+は、カルコゲナイドアニオンに強く束縛されやすい、と考えられるので、イオン化層3中を電気泳動しにくい。
従って、Cu/Te比が1よりも小さい場合には、Cuイオンの移動が抑制されて、高速動作がしづらくなる。
For example, when the composition ratio of Cu / Te is smaller than 1, a CuTe compound is easily formed, and when Cu is ionized, it is likely to exist in a divalent Cu 2+ state.
Since the divalent Cu 2+ is considered to be strongly bound to the chalcogenide anion, it is difficult to perform electrophoresis in the ionized layer 3.
Therefore, when the Cu / Te ratio is smaller than 1, the movement of Cu ions is suppressed and high-speed operation is difficult.

一方、例えば、Cu/Teの組成比が1以上である場合には、CuTe化合物が形成されるため、1価のCuが生成すると考えられる。 On the other hand, for example, when the composition ratio of Cu / Te is 1 or more, a Cu 2 Te compound is formed, so it is considered that monovalent Cu + is generated.

また、Cu/Te比が特に大きく、Cuが過剰に含まれている場合には、平衡状態ではCu相とCuTe相とが混在し、これらはそれぞれ、液相でも分離するほどに混ざりにくい。そのため、Cuが多すぎる場合には、膜剥がれが生じる不具合が起こる。 In addition, when the Cu / Te ratio is particularly large and Cu is excessively contained, the Cu phase and the Cu 2 Te phase are mixed in the equilibrium state, and these are difficult to mix so as to be separated even in the liquid phase. . Therefore, when there is too much Cu, the malfunction which a film | membrane peels arises.

また、経験的に、Cuとカルコゲナイドのみをイオン化層に用いた場合も、W,WN,TiN他、通常の半導体材料で形成される電極層との密着性が悪くなり、膜剥がれを生じやすい。
そのため、微細加工を行って、記憶素子10とするには、これら以外の添加元素が必要である。
Also, empirically, when only Cu and chalcogenide are used for the ionized layer, the adhesion with W, WN, TiN and other electrode layers formed of ordinary semiconductor materials is deteriorated, and film peeling is likely to occur.
Therefore, additional elements other than these are required to perform microfabrication to obtain the memory element 10.

しかしながら、Geを添加してイオン化層をCuTeGeとした場合には、記憶素子に電界を印加しなくてもCuイオンが移動することがあり、書き込み動作後の低抵抗状態又は消去動作後の高抵抗状態の抵抗値を保持しにくい傾向にある。
また、B(ホウ素)をイオン化層に添加した場合には、原因は明らかではないが、消去動作後の高抵抗状態の抵抗値を保持しにくい傾向にある。
However, when Ge is added to make the ionized layer CuTeGe, Cu ions may move without applying an electric field to the memory element, and a low resistance state after a write operation or a high resistance after an erase operation. It tends to be difficult to maintain the resistance value of the state.
When B (boron) is added to the ionized layer, the cause is not clear, but the resistance value in the high resistance state after the erase operation tends to be difficult to be maintained.

上述の実施の形態の記憶素子10のように、Siをイオン化層3に添加した場合には、おそらくは、非晶質構造がより安定であり、イオン移動度が比較的小さいために、低抵抗状態或いは高抵抗状態でCuが局在した状態を保持しやすい。
この場合に、Siの含有量としては、イオン化層3全体で10原子%から45原子%が好ましい。Siの添加量が少なすぎる場合には、添加の効果が小さくなるため、保持特性が不安定となる。一方、Siの添加量が多すぎる場合には、Cuイオンの動きが鈍くなるため、書き込み・消去の動作速度が低下する。
When Si is added to the ionization layer 3 as in the memory element 10 of the above-described embodiment, the low resistance state is presumably because the amorphous structure is more stable and the ion mobility is relatively small. Or it is easy to maintain the state where Cu is localized in a high resistance state.
In this case, the content of Si is preferably 10 atomic% to 45 atomic% in the entire ionized layer 3. When the amount of Si added is too small, the effect of the addition becomes small, and the retention characteristics become unstable. On the other hand, when the amount of Si added is too large, the movement of Cu ions becomes dull, and the operation speed of writing / erasing decreases.

このように、Siをイオン化層3に添加することにより、記憶素子10に電界を印加していないときには、Cuイオンをある程度移動しにくくすることができる。これにより、望まない抵抗値の変化を抑制して、情報保持特性を向上させることができる、と考えられる。   Thus, by adding Si to the ionized layer 3, Cu ions can be made difficult to move to some extent when an electric field is not applied to the memory element 10. Thereby, it is considered that an undesired change in resistance value can be suppressed and information retention characteristics can be improved.

本実施の形態の記憶素子10は、具体的には、例えば以下のように製造することができる。   Specifically, the memory element 10 of the present embodiment can be manufactured as follows, for example.

まず、選択トランジスタ等のCMOS回路が形成された基板上に、例えばWから成る下部電極1を形成する。
その後、必要であれば逆スパッタ等で、下部電極1の表面上の酸化物等を除去する。
First, a lower electrode 1 made of, for example, W is formed on a substrate on which a CMOS circuit such as a selection transistor is formed.
Thereafter, if necessary, oxides on the surface of the lower electrode 1 are removed by reverse sputtering or the like.

次に、Gd酸化膜から成る高抵抗層2を形成する。例えば、Gdターゲットを用いて、金属Gd膜を例えば膜厚1nmで成膜した後に、酸素プラズマによって酸化する。
次に、イオン化層3、例えば、CuTeSi膜を、DCマグネトロンスパッタリングで形成する。
次に、上部電極4として、例えばW膜を成膜する。このようにして積層膜を形成する。
Next, the high resistance layer 2 made of a Gd oxide film is formed. For example, after forming a metal Gd film with a film thickness of, for example, 1 nm using a Gd target, the film is oxidized by oxygen plasma.
Next, an ionization layer 3, for example, a CuTeSi film is formed by DC magnetron sputtering.
Next, for example, a W film is formed as the upper electrode 4. In this way, a laminated film is formed.

その後、積層膜の各層のうち、高抵抗層(酸化物層)2、イオン化層3、上部電極4を、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。   Thereafter, among the layers of the laminated film, the high resistance layer (oxide layer) 2, the ionized layer 3, and the upper electrode 4 are patterned by plasma etching or the like. Besides plasma etching, patterning can be performed using an etching method such as ion milling or RIE (reactive ion etching).

次に、上部電極4に接続する配線層を形成することにより、記憶素子10と共通電位を得るためのコンタクトとを接続する。   Next, by forming a wiring layer connected to the upper electrode 4, the memory element 10 and a contact for obtaining a common potential are connected.

次に、積層膜に対して、熱処理工程を行う。
このようにして、記憶素子10を製造することができる。
Next, a heat treatment process is performed on the laminated film.
In this way, the memory element 10 can be manufactured.

本実施の形態の記憶素子10では、記憶層5のイオン化層3がSiを含んでいるので、記録・消去動作特性に優れ、情報保持特性に優れている。
特に、イオン化層3中のCu/Teの組成比を適正な範囲、好ましくは1以上3以下の範囲とすることにより、さらに情報保持特性を向上することができる。
In the memory element 10 of the present embodiment, since the ionization layer 3 of the memory layer 5 contains Si, the recording / erasing operation characteristics are excellent and the information holding characteristics are excellent.
In particular, by setting the Cu / Te composition ratio in the ionized layer 3 to an appropriate range, preferably in the range of 1 to 3, the information retention characteristics can be further improved.

また、本実施の形態の記憶素子10は、微細化していった場合に、トランジスタの電流駆動力が小さくなった場合においても、情報の保持が容易になる。従って、本実施の形態の記憶素子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。   In addition, when the memory element 10 of this embodiment is miniaturized, information can be easily held even when the current driving capability of the transistor is reduced. Therefore, by configuring the memory device using the memory element 10 of this embodiment, the memory device can be integrated (high density) or downsized.

また、本実施の形態の記憶素子10によれば、下部電極1、酸化物層2、イオン化層3、上部電極4の各層を、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である。例えば、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。
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。
Further, according to the memory element 10 of the present embodiment, each of the lower electrode 1, the oxide layer 2, the ionized layer 3, and the upper electrode 4 can be made of a material that can be sputtered. For example, sputtering may be performed using a target having a composition suitable for the material of each layer.
In addition, it is possible to continuously form a film by exchanging the target in the same sputtering apparatus.

次に、上述した実施の形態の記憶素子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。   Next, the memory element 10 and the memory cell array according to the above-described embodiment were actually manufactured, and the characteristics were examined.

(実施例1)
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、WN(窒化タングステン)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。
Example 1
First, as shown in FIGS. 2 and 3, a MOS transistor Tr was formed on the semiconductor substrate 11.
Thereafter, an insulating layer was formed covering the surface.
Next, a via hole was formed in this insulating layer.
Subsequently, the via hole was filled with an electrode material made of WN (tungsten nitride) by CVD.
Next, the surface was planarized by CMP.
Then, by repeating these steps, the plug layer 15, the metal wiring layer 16, the plug layer 17, and the lower electrode 1 were formed, and the lower electrode 1 was further patterned for each memory cell.

次に、MOSトランジスタTrを含むCMOS回路が形成された半導体基板11に形成された下部電極1、つまり窒化タングステンプラグ(WNプラグ)の上面の酸化物を除去するために、RF電源を用いた逆スパッタによって、1nm程度エッチングした。
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。
Next, in order to remove the lower electrode 1 formed on the semiconductor substrate 11 on which the CMOS circuit including the MOS transistor Tr is formed, that is, the oxide on the upper surface of the tungsten nitride plug (WN plug), reverse using an RF power supply is performed. Etching was about 1 nm by sputtering.
At this time, it is desirable that the surface of the lower electrode 1 is ideally formed at the same height as the surrounding insulating layer and is flattened.

次に、DCマグネトロンスパッタにより、膜厚1.0nmの金属Cu膜を形成し、さらにO:Ar=1:3、チャンバー圧1mTorr、投入電力500WのRFプラズマでGd膜を10秒間酸化して、Gd酸化物を形成して、高抵抗層(酸化物層)2とした。 Next, a metal Cu film having a thickness of 1.0 nm is formed by DC magnetron sputtering, and the Gd film is oxidized for 10 seconds by RF plasma with O 2 : Ar = 1: 3, chamber pressure 1 mTorr, and input power 500 W. Gd oxide was formed to form a high resistance layer (oxide layer) 2.

次に、イオン化層3として、CuTeSi膜を30nm堆積した。
CuTeSi膜の組成は、Cu42%−Te22%−Si36%(原子%)とした。この場合、Cu/Te比は1.9である。
Next, a 30 nm thick CuTeSi film was deposited as the ionized layer 3.
The composition of the CuTeSi film was Cu 42% -Te 22% -Si 36% (atomic%). In this case, the Cu / Te ratio is 1.9.

さらに、イオン化層3上に、上部電極4としてW膜を膜厚20nmで形成した。
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1,2,3,4を形成した。
Further, a W film having a film thickness of 20 nm was formed on the ionized layer 3 as the upper electrode 4.
In this way, the laminated films 1, 2, 3, and 4 constituting the memory element 10 shown in FIG. 1 were formed.

その後、全面的に形成された高抵抗層2・イオン化層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、中間電位(Vdd/2)を与える外部回路に接続するコンタクト部分が露出するように、上部電極4の表面に対してエッチングを行った。
さらに、露出したコンタクト部分に接続するように、配線となるAl層を厚さ200nmで形成した。
Thereafter, the high resistance layer 2, ionization layer 3, and upper electrode 4 formed on the entire surface are patterned so as to remain over the entire memory cell array portion (memory portion), thereby providing an external circuit for applying an intermediate potential (Vdd / 2). Etching was performed on the surface of the upper electrode 4 so that the contact portion to be connected was exposed.
Furthermore, an Al layer serving as a wiring was formed with a thickness of 200 nm so as to be connected to the exposed contact portion.

続いて、真空熱処理炉で265℃・4時間の熱処理を行った。
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、実施例1の試料とした。
Subsequently, heat treatment was performed at 265 ° C. for 4 hours in a vacuum heat treatment furnace.
In this way, a memory cell array composed of the memory elements 10 shown in FIGS. 1 to 3 was produced and used as a sample of Example 1.

(実施例2)
イオン化層3のCuTeSi膜の組成を、Cu41%−Te14%−Si45%(原子%)として、その他は、実施例1と同様に記憶素子から成るメモリセルアレイを作製して、実施例2の試料とした。この場合、Cu/Te比は2.9である。
(Example 2)
The composition of the CuTeSi film of the ionized layer 3 is set to Cu 41% -Te 14% -Si 45% (atomic%). Otherwise, a memory cell array composed of memory elements is fabricated in the same manner as in Example 1, and the sample of Example 2 did. In this case, the Cu / Te ratio is 2.9.

(実施例3)
イオン化層3のCuTeSi膜の組成を、Cu44%−Te30%−Si26%(原子%)として、その他は、実施例1と同様に記憶素子から成るメモリセルアレイを作製して、実施例3の試料とした。この場合、Cu/Te比は1.5である。
(Example 3)
The composition of the CuTeSi film of the ionized layer 3 was set to Cu 44% -Te 30% -Si 26% (atomic%), and the other components were prepared as in Example 1 to produce a memory cell array composed of memory elements. did. In this case, the Cu / Te ratio is 1.5.

(実施例4)
イオン化層3のCuTeSi膜の組成を、Cu46%−Te40%−Si14%(原子%)として、その他は、実施例1と同様に記憶素子から成るメモリセルアレイを作製して、実施例4の試料とした。この場合、Cu/Te比は1.15である。
Example 4
The composition of the CuTeSi film of the ionized layer 3 was set to 46% Cu-Te 40% -14% Si (atomic%), and the others were made as in Example 1 to produce a memory cell array composed of memory elements. did. In this case, the Cu / Te ratio is 1.15.

(実施例5)
イオン化層3のCuTeSi膜の組成を、Cu33%−Te31%−Si36%(原子%)として、その他は、実施例1と同様に記憶素子から成るメモリセルアレイを作製して、実施例4の試料とした。この場合、Cu/Te比は1.1である。
(Example 5)
The composition of the CuTeSi film of the ionized layer 3 was set to Cu 33% -Te 31% -Si 36% (atomic%), and the other was produced a memory cell array composed of memory elements as in Example 1, and the sample of Example 4 did. In this case, the Cu / Te ratio is 1.1.

(比較例1)
イオン化層3のCuTeSi膜の組成を、Cu24%−Te33%−Si43%(原子%)として、その他は、実施例1と同様に記憶素子から成るメモリセルアレイを作製して、比較例1の試料とした。この場合、Cu/Te比は0.7である。
(Comparative Example 1)
The composition of the CuTeSi film of the ionized layer 3 was set to Cu 24% -Te 33% -Si 43% (atomic%). Other than that, a memory cell array composed of memory elements was fabricated in the same manner as in Example 1, and the sample of Comparative Example 1 did. In this case, the Cu / Te ratio is 0.7.

(比較例2)
イオン化層3のCuTeSi膜の組成を、Cu29%−Te19%−Si53%(原子%)として、その他は、実施例1と同様に記憶素子から成るメモリセルアレイを作製して、比較例2の試料とした。この場合、Cu/Te比は1.5である。
(Comparative Example 2)
The composition of the CuTeSi film of the ionized layer 3 was set to Cu 29% -Te 19% -Si 53% (atomic%). Otherwise, a memory cell array composed of memory elements was prepared in the same manner as in Example 1, and the sample of Comparative Example 2 did. In this case, the Cu / Te ratio is 1.5.

(比較例3)
イオン化層3のCuTeSi膜の組成を、Cu57%−Te35%−Si8%(原子%)として、その他は、実施例1と同様に記憶素子から成るメモリセルアレイを作製して、比較例3の試料とした。この場合、Cu/Te比は1.6である。
(Comparative Example 3)
The composition of the CuTeSi film of the ionized layer 3 was set to Cu 57% -Te 35% -Si 8% (atomic%). Other than that, a memory cell array composed of memory elements was fabricated in the same manner as in Example 1, and the sample of Comparative Example 3 did. In this case, the Cu / Te ratio is 1.6.

(比較例4)
イオン化層3のCuTeSi膜の組成を、Cu55%−Te13%−Si32%(原子%)として、その他は、実施例1と同様に記憶素子から成るメモリセルアレイを作製して、比較例4の試料とした。この場合、Cu/Te比は4.2である。
(Comparative Example 4)
The composition of the CuTeSi film of the ionization layer 3 is set to Cu 55% -Te 13% -Si 32% (atomic%), and the others are manufactured as in the first embodiment. did. In this case, the Cu / Te ratio is 4.2.

これらの実施例及び比較例について、CuTeSi膜の組成と、そのCu/Te比とを、表1に示す。   Table 1 shows the composition of the CuTeSi film and the Cu / Te ratio for these examples and comparative examples.

Figure 0005103932
Figure 0005103932

(繰り返し動作特性)
まず、実施例1の試料のメモリセルアレイ中の10個×2列で合計20個の記憶素子10に対して、上部電極4に接続された上部配線をVdd/2の中間電位として、選択するメモリセルのゲート電極即ちワード線WLに1.8Vの電圧を印加してON状態にして、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、10μs(マイクロ秒)のパルス幅で2.5Vの書き込み電圧Vwを印加して、「書き込み動作」を行った。そして、この書き込み動作後に、各記憶素子10の抵抗値を読み出した。
続いて、ゲート電極即ちワード線WLに3.0Vの電圧を印加してON状態にして、メモリセルアレイ中の同じ合計20個の記憶素子10に、10μs(マイクロ秒)のパルス幅で−2.5〜0.7Vの消去電圧Veを印加して、「消去動作」を行った。そして、この消去動作後に、各記憶素子10の抵抗値を読み出した。
この書き込み動作及び消去動作を、メモリセルアレイに対して1000回繰り返して行い、繰り返し動作特性を評価した。
このようにして得られた、実施例1の試料の繰り返し動作特性を、図4に示す。図4では、横軸を繰り返し回数として、書き込み動作後の抵抗値と、消去動作後の抵抗値とを、それぞれ示している。
(Repeated operation characteristics)
First, a memory that selects the upper wiring connected to the upper electrode 4 as an intermediate potential of Vdd / 2 for a total of 20 memory elements 10 in 10 × 2 columns in the memory cell array of the sample of the first embodiment. A voltage of 1.8 V is applied to the gate electrode of the cell, that is, the word line WL to turn it on, and the electrode connected to the source / drain 13 of the transistor Tr that is not connected to the memory element 10, that is, A “write operation” was performed by applying a write voltage Vw of 2.5 V with a pulse width of 10 μs (microseconds) to the bit line BL. Then, after this writing operation, the resistance value of each memory element 10 was read.
Subsequently, a voltage of 3.0 V is applied to the gate electrode, that is, the word line WL to turn it on, and the same 20 memory elements 10 in the memory cell array are subjected to −2. An “erasing operation” was performed by applying an erasing voltage Ve of 5 to 0.7 V. Then, after this erasing operation, the resistance value of each memory element 10 was read.
This write operation and erase operation were repeated 1000 times for the memory cell array, and the repeated operation characteristics were evaluated.
FIG. 4 shows the repeated operation characteristics of the sample of Example 1 obtained in this way. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the number of repetitions, and the resistance value after the write operation and the resistance value after the erase operation are respectively shown.

図4より、書き込み動作後の抵抗値も、消去動作後の抵抗値も、いずれも繰り返し動作による変化が小さく、低抵抗状態と高抵抗状態を保っていることがわかる。また、抵抗値の差も充分に得られていることがわかる。   From FIG. 4, it can be seen that both the resistance value after the write operation and the resistance value after the erase operation are small in the change due to the repeated operation, and the low resistance state and the high resistance state are maintained. It can also be seen that a sufficient difference in resistance value is obtained.

なお、書き込み動作時及び消去動作時のパルス幅を狭くすれば、高速動作特性を評価することができる。   Note that the high-speed operation characteristics can be evaluated by narrowing the pulse width during the write operation and the erase operation.

(情報保持特性)
実施例1の試料のメモリセルアレイに対して、メモリセルアレイ中1列10個×2列の合計20個の記憶素子10のうち、1列分は書き込み動作で停止し、残りの1列分は消去動作で停止するようにして、上述した繰り返し動作特性の測定と同様の条件(電圧・パルス幅)で、書き込み動作及び消去動作を1000回繰り返した。そして、それぞれの記憶素子10の停止した状態における抵抗値を測定した。
続いて、試料を120℃のオーブン中に1時間保持して、高温加速保持試験を行った。
その後、同一の各記憶素子10について、その抵抗値を測定した。
同様の測定を、消去電圧を、−0.7V〜−2.5Vの範囲で0.2V刻みで変えて、そして、高温加速保持試験の前後で抵抗値を比較することにより、情報保持特性を評価した。
(Information retention characteristics)
For the sample memory cell array of the first embodiment, one column is stopped by the write operation and the remaining one column is erased, out of a total of 20 memory elements 10 of 10 columns × 2 columns in the memory cell array. The program operation and the erase operation were repeated 1000 times under the same conditions (voltage / pulse width) as the measurement of the repeated operation characteristics described above, so as to stop at the operation. And the resistance value in the state which each memory element 10 stopped was measured.
Subsequently, the sample was held in an oven at 120 ° C. for 1 hour, and a high temperature accelerated holding test was performed.
Thereafter, the resistance value of each identical memory element 10 was measured.
The same measurement is performed by changing the erase voltage in increments of 0.2 V in the range of −0.7 V to −2.5 V, and comparing the resistance value before and after the high temperature accelerated holding test to thereby improve the information holding characteristics. evaluated.

測定結果として、消去電圧Veと高温加速保持試験前後の抵抗値との関係を、図5に示す。実線は高温加速保持試験前の抵抗値であり、点線は高温加速保持試験後の抵抗値である。   As a measurement result, the relationship between the erase voltage Ve and the resistance value before and after the high temperature accelerated holding test is shown in FIG. The solid line is the resistance value before the high temperature accelerated holding test, and the dotted line is the resistance value after the high temperature accelerated holding test.

図5より、消去電圧Veが小さいときに、高温加速によって、やや高抵抗状態の抵抗値が低くなっているものの、低抵抗状態の抵抗値よりは充分に高くなっており、問題なく情報を保持できていることがわかる。   From FIG. 5, when the erase voltage Ve is small, the resistance value in the high resistance state is slightly lower due to the high temperature acceleration, but the resistance value is sufficiently higher than the resistance value in the low resistance state, and the information is retained without any problem. You can see that it is made.

実施例2〜実施例5及び比較例1〜比較例4の各試料についても、実施例1の試料と同様に、繰り返し動作及び高温加速保持試験を行って、情報保持特性を調べた。
以下、得られた各試料の測定結果から抽出して、考察する。
For each of the samples of Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 to 4, similar to the sample of Example 1, repeated operation and a high temperature accelerated holding test were performed to examine information holding characteristics.
In the following, the measurement results of the obtained samples are extracted and discussed.

まず、イオン化層3のCuTeSiのCu/Te比の範囲について述べる。
Cu/Te比の下限について述べる。
実施例5及び比較例1の各試料の高温加速保持特性を調べた測定結果として、消去電圧Veと高温加速試験前後の抵抗値との関係を、それぞれ図6と図7に示す。図6は、実施例5の試料の測定結果を示し、図7は比較例1の試料の測定結果を示す。
First, the range of the Cu / Te ratio of CuTeSi of the ionized layer 3 will be described.
The lower limit of the Cu / Te ratio will be described.
FIG. 6 and FIG. 7 show the relationship between the erasing voltage Ve and the resistance value before and after the high temperature acceleration test, respectively, as measurement results obtained by examining the high temperature acceleration holding characteristics of the samples of Example 5 and Comparative Example 1. 6 shows the measurement result of the sample of Example 5, and FIG. 7 shows the measurement result of the sample of Comparative Example 1.

図6に示すように、Cu/Te比が1.1であり、本発明の範囲内である実施例5では、書き込み動作後と消去動作後とで明確な抵抗値の差が見られ、また、高温加速後の抵抗値の変化が小さい。
一方、図7に示すように、Cu/Te比が0.7である比較例1では、書き込み動作後と消去動作後とで明確な抵抗値の差が見られず、書き込み動作後の抵抗値が低くなっていない。即ち、書き込み動作が正しく行われていない。
また、後に示すように、Cu/Te比が実施例5の1.1よりも大きい場合には、書き込み動作及び消去動作が正しく行われる。
従って、比較例1のCu/Te比が0.7の場合のように、Cu/Te比が1を下回ると、書き込み動作及び消去動作を正しく行うことができない。
As shown in FIG. 6, in Example 5 in which the Cu / Te ratio is 1.1 and is within the scope of the present invention, a clear difference in resistance value is observed after the write operation and after the erase operation. The resistance change after high temperature acceleration is small.
On the other hand, as shown in FIG. 7, in Comparative Example 1 in which the Cu / Te ratio is 0.7, there is no clear difference in resistance value between the write operation and the erase operation, and the resistance value after the write operation. Is not low. That is, the writing operation is not performed correctly.
As will be described later, when the Cu / Te ratio is larger than 1.1 in Example 5, the write operation and the erase operation are correctly performed.
Therefore, when the Cu / Te ratio is less than 1, as in the case of the Cu / Te ratio of Comparative Example 1, the write operation and the erase operation cannot be performed correctly.

次に、Cu/Te比の上限について述べる。
実施例1、実施例2、並びに比較例4の各試料について、メモリセルアレイの作製後の膜剥がれの有無について調べた。調べた結果を、表2に示す。
Next, the upper limit of the Cu / Te ratio will be described.
Each sample of Example 1, Example 2, and Comparative Example 4 was examined for the presence or absence of film peeling after fabrication of the memory cell array. The examination results are shown in Table 2.

Figure 0005103932
Figure 0005103932

表2より、実施例1及び実施例2では膜剥がれが生じていないが、比較例4では膜剥がれが生じている。   From Table 2, film peeling does not occur in Example 1 and Example 2, but film peeling occurs in Comparative Example 4.

次に、実施例2と比較例4の各試料の高温加速保持特性を調べた測定結果として、消去電圧Veと高温加速試験前後の抵抗値との関係を、それぞれ図8と図9に示す。図8は、実施例2の試料の測定結果を示し、図9は比較例4の試料の測定結果を示す。   Next, FIG. 8 and FIG. 9 show the relationship between the erase voltage Ve and the resistance value before and after the high temperature acceleration test, respectively, as measurement results of examining the high temperature acceleration holding characteristics of the samples of Example 2 and Comparative Example 4. FIG. 8 shows the measurement results of the sample of Example 2, and FIG. 9 shows the measurement results of the sample of Comparative Example 4.

図8に示すように、Cu/Te比が2.9であり、本発明の範囲内である実施例2では、書き込み動作後と消去動作後とで明確な抵抗値の差が見られ、また、高温加速後の抵抗値の変化が小さい。
一方、図9に示すように、Cu/Te比が4.2である比較例4では、膜剥がれを生じているために、書き込み動作も消去動作も行うことが不可能であった。
このように、Cu/Te比が2.9である実施例2では、書き込み動作・消去動作及び情報保持が可能であるが、Cu/Te比が4.2である比較例4では、膜剥がれによって、動作が不可能となる。
従って、おそらくは、Cu/Te比が3を超えると、このように膜剥がれによって、著しくメモリ動作特性が劣化すると考えられる。
As shown in FIG. 8, the Cu / Te ratio is 2.9, and in Example 2, which is within the scope of the present invention, a clear difference in resistance value is observed after the write operation and after the erase operation. The resistance change after high temperature acceleration is small.
On the other hand, as shown in FIG. 9, in Comparative Example 4 in which the Cu / Te ratio is 4.2, it was impossible to perform the writing operation and the erasing operation because the film was peeled off.
As described above, in Example 2 in which the Cu / Te ratio is 2.9, write operation / erase operation and information retention are possible, but in Comparative Example 4 in which the Cu / Te ratio is 4.2, film peeling occurs. The operation becomes impossible.
Therefore, it is probable that when the Cu / Te ratio exceeds 3, the memory operation characteristics are significantly deteriorated due to the film peeling.

この膜剥がれの原因は必ずしも明らかでないが、Cu−Teの2元系合金を考えた場合に、Cu量が67%を超える組成ではCu相とCuTe相が平衡状態として存在し、各々は液相でも混ざり合わずに相分離する。そのため、おそらくは、Cuが過剰に存在することで、イオン化層中でも非晶質構造が安定でなく、相分離を生じるため、膜剥がれが生じる、と考えられる。
Cu/Te比が3よりも小さい、実施例1及び実施例2については、図5及び図8に示したように、良好なメモリ動作及び情報保持特性を示している。
Although the cause of this film peeling is not necessarily clear, when considering a Cu-Te binary alloy, the Cu phase and the Cu 2 Te phase exist in an equilibrium state in a composition in which the Cu amount exceeds 67%. Even in the liquid phase, phase separation occurs without mixing. For this reason, it is considered that the presence of excessive Cu probably causes the film to peel off because the amorphous structure is not stable even in the ionized layer and phase separation occurs.
Examples 1 and 2 in which the Cu / Te ratio is smaller than 3 show good memory operation and information retention characteristics as shown in FIGS.

従って、以上の結果より、Cu/Te比は、1以上でかつ3以下であることが望ましい。   Therefore, from the above results, the Cu / Te ratio is desirably 1 or more and 3 or less.

次に、イオン化層3のCuTeSiのSi組成の範囲について述べる。
まずは、Si量の下限について本発明の実施例である実施例4と比較例3の評価結果を比較しながら述べる。
実施例4と比較例3の各試料の高温加速保持特性を調べた測定結果として、消去電圧Veと高温加速試験前後の抵抗値との関係を、それぞれ図10と図11に示す。図10は、実施例4の試料の測定結果を示し、図11は比較例3の試料の測定結果を示す。
Next, the range of the Si composition of CuTeSi of the ionized layer 3 will be described.
First, the lower limit of the Si amount will be described while comparing the evaluation results of Example 4 and Comparative Example 3 which are examples of the present invention.
FIG. 10 and FIG. 11 show the relationship between the erase voltage Ve and the resistance value before and after the high temperature acceleration test, respectively, as measurement results of examining the high temperature acceleration holding characteristics of the samples of Example 4 and Comparative Example 3. FIG. 10 shows the measurement result of the sample of Example 4, and FIG. 11 shows the measurement result of the sample of Comparative Example 3.

比較例3については、膜剥がれを生じているために、書き込み動作及び消去動作を行うことが不可能であった。   In Comparative Example 3, it was impossible to perform the writing operation and the erasing operation because the film was peeled off.

図10に示すように、本発明の範囲内である実施例4では、この測定条件で、消去電圧Veが1.9Vあたりから、書き込み動作後の抵抗値と、消去動作後の抵抗値の差が少なくなり始める。
一方、図11に示すように、比較例3では、消去電圧Veが1.3V以上では、消去動作後の抵抗値が減少して、書き込み動作後と消去動作後とで抵抗値の判別がつかなくなる。
As shown in FIG. 10, in Example 4, which is within the scope of the present invention, the difference between the resistance value after the write operation and the resistance value after the erase operation is about 1.9 V under the measurement conditions. Begins to decrease.
On the other hand, as shown in FIG. 11, in Comparative Example 3, when the erase voltage Ve is 1.3 V or more, the resistance value after the erase operation decreases, and the resistance value can be discriminated after the write operation and after the erase operation. Disappear.

さらに、比較例3の試料における、繰り返し特性の一例を、図12に示す。
図12に示すように、繰り返しの途中までは、書き込み動作後/消去動作後のそれぞれの抵抗値に充分な差が認められるものの、繰り返し回数が100回を超えるあたりから、消去動作後の抵抗値が急激に減少している。この抵抗値の急激な減少は、Si量が10%を下回る場合に多く発生する。一方、本発明の実施例4のように、Si量が10%を越えて14%含まれている場合には、この抵抗値の減少が、大きく緩和される。
この急激な抵抗値の減少の原因は必ずしも明らかでないが、Si量が少なすぎると、Cuイオンが非常に動きやすく、イオン移動度が過剰に大きくなる。そのため、下部電極側に過剰な還元された金属状態のCuが析出する、或いは、下部電極上の酸化膜が絶縁破壊されて、通常の消去動作では、これを再びイオン化層中に引き戻すことができなくなると考えられる。
従って、Si量は、少なくとも10%以上であることが望ましい。
Furthermore, an example of the repetition characteristics in the sample of Comparative Example 3 is shown in FIG.
As shown in FIG. 12, until the middle of the repetition, although there is a sufficient difference between the resistance values after the writing operation / after the erasing operation, the resistance value after the erasing operation starts when the number of repetition exceeds 100 times. Is decreasing rapidly. This rapid decrease in the resistance value occurs frequently when the Si amount is less than 10%. On the other hand, as in Example 4 of the present invention, when the Si amount exceeds 10% and is contained by 14%, this decrease in resistance value is greatly relieved.
The cause of this sudden decrease in resistance value is not necessarily clear, but if the amount of Si is too small, Cu ions move very easily and the ion mobility becomes excessively large. Therefore, excessive reduced metal state Cu is deposited on the lower electrode side, or the oxide film on the lower electrode is dielectrically broken, and this can be pulled back into the ionization layer again in a normal erase operation. It is thought that it will disappear.
Accordingly, the Si amount is desirably at least 10% or more.

次に、イオン化層3のCuTeSiのSi量の上限について、実施例2と比較例2の結果を比較しながら述べる。
実施例2と比較例2の各試料の高温加速保持特性を調べた測定結果として、消去電圧Veと高温加速試験前後の抵抗値との関係を、それぞれ図13と図14に示す。図13は、実施例2の試料の測定結果を示し、図14は比較例2の試料の測定結果を示す。
Next, the upper limit of the Si content of CuTeSi in the ionized layer 3 will be described while comparing the results of Example 2 and Comparative Example 2.
FIG. 13 and FIG. 14 show the relationship between the erase voltage Ve and the resistance value before and after the high temperature acceleration test, respectively, as measurement results of examining the high temperature accelerated holding characteristics of the samples of Example 2 and Comparative Example 2. FIG. 13 shows the measurement results of the sample of Example 2, and FIG. 14 shows the measurement results of the sample of Comparative Example 2.

図13に示すように、本発明の範囲内である実施例2では、Si量が45%と比較的Siが多く含まれているために、消去動作後の高い抵抗値が実施例1等と比較して高温加速保持試験により若干低下し始めている。ただし、この実施例2では、条件を適切に設定すれば良好なメモリ特性が得られる可能性がある。
しかし、図14に示すように、比較例2では、Si量が53%とさらに多くのSiを含んでいるために、消去動作後の高い抵抗値の保持性能が、実施例2よりもさらに低下している。
必ずしも原因は明らかでないが、このようにイオン化層3のCuTeSi中に過剰にSiを含む場合には、高い抵抗値の保持性能が劣化する。
従って、CuTeSiイオン化層に含まれるSi量が多すぎると、望ましい情報保持性能が得られないので、Si量は45%以下であることが望ましい。
As shown in FIG. 13, in Example 2, which is within the scope of the present invention, the Si amount is 45% and a relatively large amount of Si is contained. In comparison, it starts to decrease slightly due to the high temperature accelerated holding test. However, in the second embodiment, there is a possibility that good memory characteristics can be obtained if conditions are set appropriately.
However, as shown in FIG. 14, in Comparative Example 2, the Si amount is 53% and more Si is contained, so that the retention performance of the high resistance value after the erasing operation is further lowered as compared with Example 2. is doing.
Although the cause is not necessarily clear, when Cu is excessively contained in the CuTeSi of the ionized layer 3 as described above, the high resistance holding performance is deteriorated.
Therefore, if the amount of Si contained in the CuTeSi ionized layer is too large, desirable information retention performance cannot be obtained, so the Si amount is desirably 45% or less.

以上から、CuTeSiを用いたイオン化層中のSi量は10%以上であって、かつ45%以下であることが望ましい。   From the above, it is desirable that the amount of Si in the ionized layer using CuTeSi is 10% or more and 45% or less.

このような、本発明の良好なメモリ動作特性及び情報保持特性を示す、好適なCu−Te−Siの組成範囲を、図15に示す3元マップ中に表現すると、図中斜線を付した部分となる。   Such a preferable Cu-Te-Si composition range showing the good memory operation characteristics and information retention characteristics of the present invention is expressed in the ternary map shown in FIG. It becomes.

前述した実施の形態等に示したような、本発明の記憶素子を用いて、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、記憶装置(メモリ装置)を構成することができる。
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。
A memory device (memory device) can be configured by arranging a large number of memory elements, for example, in a column or matrix, using the memory elements of the present invention as shown in the above-described embodiments and the like. .
At this time, a memory cell is configured by connecting a MOS transistor or a diode for selecting the element to each memory element as necessary.
Further, it is connected to a sense amplifier, an address recorder, a recording / erasing / reading circuit, etc. via wiring.

本発明の記憶素子は、各種の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。   The memory element of the present invention can be applied to various 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. It is possible to apply any memory form such as (memory).

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。   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.

本発明の記憶素子の一実施の形態の概略構成図(断面図)である。1 is a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of an embodiment of a memory element of the present invention. 図1の記憶素子を用いたメモリセルアレイの概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the memory cell array using the memory element of FIG. 図1の記憶素子を用いたメモリセルアレイの概略構成図(平面図)である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram (plan view) of a memory cell array using the memory element of FIG. 1. 実施例1の試料の繰り返し動作特性を示す図である。It is a figure which shows the repetitive operation characteristic of the sample of Example 1. 実施例1の試料の消去電圧と高温加速保持試験前後の抵抗値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the erasing voltage of the sample of Example 1, and the resistance value before and behind a high temperature accelerated holding test. 実施例5の試料の消去電圧と高温加速保持試験前後の抵抗値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the erasing voltage of the sample of Example 5, and the resistance value before and behind a high temperature accelerated holding test. 比較例1の試料の消去電圧と高温加速保持試験前後の抵抗値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the erase voltage of the sample of the comparative example 1, and the resistance value before and behind a high temperature accelerated holding test. 実施例2の試料の消去電圧と高温加速保持試験前後の抵抗値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the erasing voltage of the sample of Example 2, and the resistance value before and behind a high temperature accelerated holding test. 比較例4の試料の消去電圧と高温加速保持試験前後の抵抗値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the erasing voltage of the sample of the comparative example 4, and the resistance value before and behind a high temperature accelerated holding test. 実施例4の試料の消去電圧と高温加速保持試験前後の抵抗値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the erasing voltage of the sample of Example 4, and the resistance value before and behind a high temperature accelerated holding test. 比較例3の試料の消去電圧と高温加速保持試験前後の抵抗値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the erasing voltage of the sample of the comparative example 3, and the resistance value before and behind a high temperature accelerated holding test. 比較例3の試料の繰り返し動作特性を示す図である。It is a figure which shows the repetition operation characteristic of the sample of the comparative example 3. FIG. 実施例2の試料の消去電圧Veと高温加速保持試験前後の抵抗値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the erasing voltage Ve of the sample of Example 2, and the resistance value before and behind a high temperature accelerated holding test. 比較例2の試料の消去電圧Veと高温加速保持試験前後の抵抗値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the erasing voltage Ve of the sample of the comparative example 2, and the resistance value before and behind a high temperature accelerated holding test. 好適なCu−Te−Siの組成範囲を表現した3元マップである。It is a ternary map expressing a suitable Cu-Te-Si composition range.

符号の説明Explanation of symbols

1 下部電極、2 高抵抗層、3 イオン化層、4 上部電極、5 記憶層、10 記憶素子、Tr MOSトランジスタ、BL ビット線、WL ワード線、PL プレート電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lower electrode, 2 High resistance layer, 3 Ionization layer, 4 Upper electrode, 5 Memory layer, 10 Memory element, Tr MOS transistor, BL bit line, WL Word line, PL plate electrode

Claims (3)

第1の電極及び第2の電極の間に、記憶層が挟まれて構成され、
前記記憶層が、イオン化するCuを含有するイオン化層と、前記イオン化層よりも充分に抵抗値の高い高抵抗層とから成り、
前記イオン化層がCuTeSi膜であり、
前記イオン化層において、Cu含有量(原子%)/Te含有量(原子%)の組成比が、1以上3以下であり、
前記イオン化層におけるSiの含有量(原子%)が、10%以上45%以下であり、
前記高抵抗層が、希土類元素、Si、Cuから選ばれる1種の以上の元素を含む酸化物から成る
記憶素子。
A memory layer is sandwiched between the first electrode and the second electrode,
The memory layer is composed of an ionized layer containing Cu to be ionized and a high resistance layer having a sufficiently higher resistance value than the ionized layer,
The ionized layer is a CuTeSi film;
In the ionized layer, the composition ratio of Cu content (atomic%) / Te content (atomic%) is 1 or more and 3 or less,
The Si content (atomic%) in the ionized layer is 10% or more and 45% or less ,
The memory element , wherein the high resistance layer is made of an oxide containing one or more elements selected from rare earth elements, Si, and Cu .
第1の電極及び第2の電極の間に、記憶層が挟まれて構成され、前記記憶層が、イオン化するCuを含有するイオン化層と、前記イオン化層よりも充分に抵抗値の高い高抵抗層とから成り、前記イオン化層がCuTeSi膜であり、前記イオン化層において、Cu含有量(原子%)/Te含有量(原子%)の組成比が、1以上3以下であり、前記イオン化層におけるSiの含有量(原子%)が、10%以上45%以下であり、前記高抵抗層が、希土類元素、Si、Cuから選ばれる1種の以上の元素を含む酸化物から成る記憶素子と、
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。
A memory layer is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the memory layer includes an ionized layer containing Cu to be ionized and a high resistance having a sufficiently higher resistance value than the ionized layer. The ionized layer is a CuTeSi film, and the composition ratio of Cu content (atomic%) / Te content (atomic%) is 1 or more and 3 or less in the ionized layer, A memory element having a Si content (atomic%) of 10% or more and 45% or less , wherein the high resistance layer is made of an oxide containing one or more elements selected from rare earth elements, Si, and Cu ;
Wiring connected to the first electrode side;
A wiring connected to the second electrode side,
A storage device in which a large number of the storage elements are arranged .
隣接する複数の前記記憶素子において、前記記憶素子を構成する少なくとも一部の層が同一層により共通に形成されている請求項2に記載の記憶装置。 The storage device according to claim 2 , wherein in a plurality of adjacent storage elements, at least a part of layers constituting the storage element is formed in common by the same layer.
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