JP5186841B2 - Storage element manufacturing method and storage device manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、記憶層の電気的特性の変化により情報を記憶する記憶素子の製造方法および記憶装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a manufacturing method, and a storage device of a storage element for storing information through change in electrical characteristics of the storage layer.
コンピュータ等の情報機器においては、RAM(Random Access memory;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(Dynamic Random Access memory)が広く使用されている。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(Large Scale Integration) 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。 In an information device such as a computer, a DRAM (Dynamic Random Access Memory) having a high-speed operation and a high density is widely used as a RAM (Random Access Memory). However, a DRAM has a higher manufacturing cost because a manufacturing process is more complicated than a general logic circuit LSI (Large Scale Integration) 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(Ferroelectric Random Access Memory)(強誘電体メモリ)やMRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)(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。 Therefore, for example, flash memories, FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory) (ferroelectric memory), MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) (magnetic memory element), etc., are non-volatile memories whose information does not disappear even when the power is turned off. Proposed. In the case of these memories, it is possible to keep the written information for a long time without supplying power.
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 is limited in microfabrication for high integration and has a problem in the 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む構造としたものである。この記憶素子では、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あるいはキャパシタンス等の電気特性が変化する。例えば、特許文献1および非特許文献1では、この特性を利用したメモリデバイスの構成が記載されており、特に特許文献1においては、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る構成が提案されている。具体的には、AsS,GeS,GeSeにAg(銀),Cu(銅)またはZn(亜鉛)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またはZnが含まれている。
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. In this memory element, when a voltage is applied between two electrodes by including a metal contained in the ionic conductor in one of the two electrodes, the metal contained in the electrode is contained in the ionic conductor. By diffusing as ions, electrical characteristics such as resistance value or capacitance of the ion conductor change. For example,
しかしながら、上述した、上部電極または下部電極にAg等を含み、それらの電極にGe−S若しくはGe−Seアモルファスカルコゲナイド材料が挟まれた構造の記憶素子では、温度上昇によりカルコゲナイド薄膜が結晶化するという問題があった。このように結晶化が生ずると、その結晶化に伴って材料の特性が変化し、本来は高抵抗の状態でデータを保持している部分が、高温環境下あるいは長期保存時に低抵抗の状態に変化するなどの問題が発生する。そこで、さらに電極とイオン伝導体との間に、イオン伝導体と電極との間をイオンが移動することを制限するバリア層として希土類酸化膜を挿入した構成の記憶素子が提案されている(例えば、特許文献2)。 However, in the above-described memory element having a structure in which Ag or the like is included in the upper electrode or the lower electrode and a Ge—S or Ge—Se amorphous chalcogenide material is sandwiched between the electrodes, the chalcogenide thin film is crystallized due to a temperature rise. There was a problem. When crystallization occurs in this way, the characteristics of the material change with the crystallization, and the part that originally retains data in a high resistance state becomes a low resistance state in a high temperature environment or during long-term storage. Problems such as change occur. Therefore, a memory element having a structure in which a rare earth oxide film is inserted between the electrode and the ion conductor as a barrier layer that restricts the movement of ions between the ion conductor and the electrode has been proposed (for example, Patent Document 2).
このようにバリア層として希土類酸化膜を有する記憶素子では、閾値電圧以上の記録電圧が印加されると、Cu,Ag,Znなどの金属元素が含まれた電極層からこれらの金属がイオン化して、希土類酸化膜に拡散していき、他電極側で電子と結合して析出する、あるいは、希土類酸化膜内部に拡散した状態で留まる。すると、希土類酸化膜の内部にこれら金属元素を多量に含む電流パスが形成される、若しくは、希土類酸化膜の内部に金属元素による欠陥が多数形成されることによって、希土類酸化膜の抵抗値が低くなる。 Thus, in a memory element having a rare earth oxide film as a barrier layer, when a recording voltage higher than a threshold voltage is applied, these metals are ionized from an electrode layer containing a metal element such as Cu, Ag, Zn, and the like. Then, it diffuses into the rare earth oxide film and precipitates by being combined with electrons on the other electrode side, or stays diffused inside the rare earth oxide film. Then, a current path containing a large amount of these metal elements is formed inside the rare earth oxide film, or a large number of defects due to the metal elements are formed inside the rare earth oxide film, thereby reducing the resistance value of the rare earth oxide film. Become.
また、上述と逆極性の電圧を印加することにより、希土類酸化膜内に形成されていた電流パスあるいは不純物準位を構成するCu等の金属元素が再びイオン化して、希土類酸化膜内を移動して電極層側に戻り、これにより希土類酸化膜の抵抗値が高くなる。この希土類酸化膜の抵抗変化による記憶素子は、特に高温環境下および長期のデータ保持安定性に優れた特性を有すると報告されている。
しかしながら、このような記憶素子では、その面積が4,000nm2 以下のように微細化されると、希土類酸化膜をスケーリング測に従って薄膜化することが非常に困難となる。 However, in such a memory element, when the area is reduced to 4,000 nm 2 or less, it is very difficult to reduce the thickness of the rare earth oxide film according to the scaling measurement.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、微細化しても、希土類酸化膜を形成することなく、安定した書込みおよび消去動作を容易に実現できる記憶素子の製造方法およびこれを用いた記憶装置の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, its object is also miniaturized, without forming a rare earth oxide film, a manufacturing method of the stable writing and erasing operations can be easily realized memory element and An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a storage device using the same.
本発明の記憶素子の製造方法は、第1電極上に、イオン伝導材料と共にSi(シリコン),Zr(ジルコニウム),Al(アルミニウム),Ti(チタン)およびCr(クロム)のうちの少なくとも1種の金属元素が含まれる記憶層、および第2電極をこの順に形成して記憶素子を作製したのち、初回の書込み動作の前に、第1電極および第2電極に対して消去方向に初期化パルス電圧を印加し、記憶層の第1電極または第2電極との界面近傍に上記金属元素の酸化層または窒化層を形成するものである。 The method for manufacturing a memory element according to the present invention includes at least one of Si (silicon) , Zr (zirconium) , Al (aluminum) , Ti (titanium), and Cr (chromium) on the first electrode together with an ion conductive material. After the memory layer including the metal element and the second electrode are formed in this order to produce the memory element, the initializing pulse in the erasing direction with respect to the first electrode and the second electrode is performed before the first write operation. A voltage is applied to form an oxide layer or nitride layer of the metal element in the vicinity of the interface of the memory layer with the first electrode or the second electrode.
本発明の記憶装置の製造方法は、記憶層を有し、記憶層の電気的特性の変化により情報を記憶する複数の記憶素子と、複数の記憶素子に対して選択的に電圧または電流のパルスを印加するパルス印加手段とを備えた記憶装置の製造方法であって、第1電極上に、イオン伝導材料と共にSi,Zr,Al,TiおよびCrのうちの少なくとも1種の金属元素が含まれる記憶層、および第2電極をこの順に形成して記憶素子を作製したのち、初回の書込み動作の前に、第1電極および第2電極に対して消去方向に初期化パルス電圧を印加し、記憶層の第1電極または第2電極との界面近傍に上記金属元素の酸化層または窒化層を形成するものである。 Manufacturing method of a storage device of the present invention has a memory layer, a plurality of storage elements for storing information through change in electrical characteristics of the storage layer, of selectively voltage or current to the plurality of storage elements pulses And at least one metal element of Si, Zr, Al, Ti, and Cr together with an ion conductive material on the first electrode. After the memory element is formed by forming the memory layer and the second electrode in this order, an initializing pulse voltage is applied to the first electrode and the second electrode in the erasing direction before the first write operation to store the memory element. An oxide layer or nitride layer of the metal element is formed in the vicinity of the interface between the first electrode and the second electrode of the layer .
本発明の記憶素子の製造方法または記憶装置の製造方法では、初回の書込み動作の前に、第1電極および第2電極に対して消去方向に初期化パルス電圧が印加され、記憶層の第1電極または第2電極との界面近傍に上記金属元素(Si,Zr,Al,TiおよびCr)のうちの少なくとも1種の酸化層または窒化層が、高抵抗層として形成される。
In the production method of the production method or the storage device of the storage device of the present invention, before the first write operation, reset voltage pulse is applied to the erasing direction with respect to the first electrode and the second electrode, the
このような方法によって製造された記憶素子または記憶装置では、初期状態(高抵抗状態)の素子に対して「正方向」(例えば第1電極側を負電位、第2電極側を正電位)の電圧または電流パルスが印加されると、第1電極側に金属元素の伝導パスが形成されて低抵抗状態となる。この低抵抗な状態の素子に対して「負方向」(例えば第1電極側を正電位、第2電極側を負電位)へ電圧パルスが印加されると、上記金属の伝導パスが酸化してイオン化層中へ溶解して高抵抗な状態へ変化する。 In the memory element or the memory device manufactured by such a method, it is in the “positive direction” (for example, the first electrode side is a negative potential and the second electrode side is a positive potential) with respect to the element in the initial state (high resistance state). When a voltage or current pulse is applied, a conduction path of a metal element is formed on the first electrode side, and a low resistance state is obtained. When a voltage pulse is applied to the element in the low resistance state in the “negative direction” (for example, the first electrode side is a positive potential and the second electrode side is a negative potential), the metal conduction path is oxidized. It dissolves in the ionized layer and changes to a high resistance state.
本発明の記憶素子の製造方法または記憶装置の製造方法によれば、初回書込み前に消去方向に初期化パルス電圧を印加するようにしたので、希土類酸化膜を形成することなく、記憶層中に高抵抗層を容易に形成することができ、微細化が容易となる。 According to the method for manufacturing the memory element or the method for manufacturing the memory device of the present invention, the initialization pulse voltage is applied in the erasing direction before the first writing, so that the rare earth oxide film is not formed in the memory layer. The high resistance layer can be easily formed, and miniaturization is facilitated.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係る記憶素子の断面構成を表すものである。なお,図1に示した記憶素子1は、図3(C)が素子作製後の初期化前の状態を表すのに対し、初期化後の状態を表している。この記憶素子1は例えば縦配線構造上に形成されている。すなわち、配線層11の上に絶縁層12が形成され、この絶縁層12には配線層11まで達する溝13が設けられている。溝13には下部電極14が埋設されている。絶縁層12および下部電極14の上には開口部16を有する層間絶縁膜15が形成されており、下部電極14の一部を露出させている。下部電極14および層間絶縁膜15上に記憶層17が形成され、更に、この記憶層17の上に上部電極18が形成されている。
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a memory element according to an embodiment of the present invention. Note that the
下部電極14および上部電極18には、例えば、W(タングステン),WN(窒化タングステン),Cu(銅),Al(アルミニウム),Mo(モリブデン),Ta(タンタル),Si(シリコン),Zr(ジルコニウム)およびシリサイド等を用いることができる。本実施の形態では、下部電極14は例えばWZrNb層、上部電極18はZr層およびAl層の積層構造(Zr/Al層)によりそれぞれ構成されている。
For the
絶縁層12は例えばTEOS−SiO2 、層間絶縁膜15は例えばSiO2 あるいはSiNによりそれぞれ形成されている。層間絶縁膜15の膜厚は、駆動電圧が印加されたときに下部電極14からの電流漏れを防止できる厚さ、例えば8nmである。層間絶縁膜15に設けられた開口部16は下部電極14と上部電極18との間に流れる電流を狭窄するもので、その面積は例えば400nm2 である。
The
記憶層(イオン化層)17は、イオン伝導材料と共にイオン化可能な金属元素を含有している。イオン伝導材料としては、例えば、S(硫黄),Se(セレン)およびTe(テルル)(カルコゲナイド元素)が挙げられ、これら元素の1種でも,あるいは2種以上の組み合わせでもよい。金属元素としては、例えばCu(銅),Ag(銀),Ge(ゲルマニウム)またはZn(亜鉛)が挙げられるが、加えて、本実施の形態では、高抵抗層19を構成する金属元素として、例えば、Si,Zr,Al,Ti(チタン)およびCr(クロム)のうちのいずれか1種が添加されている。具体的には、記憶層17は、例えば膜厚30nmのCuGeTeSi層である。
The memory layer (ionization layer) 17 contains an ionizable metal element together with the ion conductive material. Examples of the ion conductive material include S (sulfur), Se (selenium), and Te (tellurium) (chalcogenide element), and these elements may be used alone or in combination of two or more. Examples of the metal element include Cu (copper), Ag (silver), Ge (germanium), and Zn (zinc). In addition, in the present embodiment, as the metal element constituting the high resistance layer 19, For example, any one of Si, Zr, Al, Ti (titanium) and Cr (chromium) is added. Specifically, the
記憶層17の下部電極14との界面およびその近傍には高抵抗層19が設けられている。この高抵抗層19は、後述のように記憶素子を作製したのち(図3(C)参照)、初回の書込み動作の前に、上部電極18および下部電極14に対して、情報の消去方向に好ましくはパルス幅10μs以上の初期化パルス電圧を印加することにより形成されたもので、Si,ZrまたはAl、あるいはこれの組み合わせの酸化層または窒化層からなるものであり、従来の希土類酸化膜とは異なるものである。なお、この高抵抗層19は上部電極18側の近傍に形成されていてもよい。この高抵抗層19は、情報の書込み時において電圧パルスあるいは電流パルスが印加されることにより、抵抗値が低下する特性を有する。
A high resistance layer 19 is provided at the interface between the
本実施の形態の記憶素子1では、下部電極14および上部電極18を介して図示しない電源(パルス印加手段)から所定の電圧パルスあるいは電流パルスが印加されると、記憶層17の電気的特性、例えば抵抗値が変化し、これにより情報の記憶,消去,更に読み出しが行われる。なお、このような記憶素子1を多数、例えばマトリックス状に配置することにより本発明の記憶装置を構成することができる。
In the
次に、図2〜図5を参照して上記記憶素子1の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、図2(A)に示したように、配線層11の上にTEOS−SiO2 からなる絶縁層12を形成したのち、図2(B)に示したようにこの絶縁層12上に開口20Aを有するレジスト(感光性樹脂)層20を形成する。
First, as shown in FIG. 2A, an insulating
次に、図2(C)に示したように、レジスト層20をマスクとして、例えば、RIE(Reactive Ion Etching,反応性イオンエッチング)法,IM(Ion Milling ,イオンミリング)法、ウェットエッチング法などにより、配線層11が露出するまで絶縁層12を選択的に除去し、溝13を形成する。次いでレジスト層20を除去する。なお、レジスト層20としては、例えば、紫外線などを用いた露光装置用フォトレジストや電子線を用いた電子線描画用のEB(Electron Beam ,電子線)レジストが挙げられる。
Next, as shown in FIG. 2C, using the resist layer 20 as a mask, for example, RIE (Reactive Ion Etching) method, IM (Ion Milling) method, wet etching method, etc. Thus, the insulating
次いで、図3(A)に示したように、溝13の内側に、例えばCVD法により堆積させて、例えばレジストエッチバック法による平坦化処理を施してWZrNbからなる下部電極14を形成する。次に、図3(B)に示したように、例えばCVD法により例えばSiO2からなる層間絶縁膜15を形成する。続いて、例えば上記エッチング法のいずれかによって選択的に開口部16を形成する。
Next, as shown in FIG. 3A, the
続いて、図3(C)に示したように、記憶層17、例えば膜厚30nmのCuGeTeSi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18として例えばCVD法により積層膜(Zr/Al層)を形成する。なお、この状態では記憶層17において高抵抗層19は形成されていない。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, a
続いて、図4および図5を参照して本実施の形態の特徴となる記憶素子1の初期化について説明する。ここに、初期化とは、上記デバイス(図3(C))を形成した後に、下部電極14および上部電極18間に所定の電圧を印加することにより、記憶層17中の下部電極14または上部電極18の界面近傍に高抵抗層19を形成する工程をいう。初期化は例えば図4に示した初期化回路を用いて行う。
Next, initialization of the
この初期化回路では、記憶素子1に対して選択トランジスタ(NMOSトランジスタ)2およびスイッチ3が直列配置されている。記憶素子1の上部電極18はソース線5を介して端子8に接続され、下部電極14は選択トランジスタ2の一端に接続されている。選択トランジスタ2の他端はスイッチ3およびビット線6を介して端子9に接続されている。選択トランジスタ2のゲート部はワード線4を介して端子10に接続されている。上記端子はそれぞれ外部のパルス電圧源と接続されており、外部からパルス電圧を印加できるようになっている。スイッチ3に対して電流計7が並列配置されており、スイッチ3が開状態のときに回路に流れる電流を測定できるようになっている。
In this initialization circuit, a selection transistor (NMOS transistor) 2 and a
図5は各端子8,9,10に印加される初期化電圧波形を表すものである。スイッチ3が閉じられると、端子9には、高抵抗層19を形成可能なパルス幅で初期化電圧が印加される。例えば、初期化電圧パルス幅Pinitは10msであり、初期化電圧Vinitは2.1Vである。端子10には、上記初期化電圧パルス幅Pinitを囲むようなゲートパルス幅Pginitでゲート電圧Vginitが印加される。このときゲート電圧Vginitは、トランジスタが正常に動作する電圧とする。例えば、ゲートパルス幅Pginitは13msであり、ゲート電圧Vginitは3.0Vである。端子8は0Vに保たれる。
FIG. 5 shows an initialization voltage waveform applied to each of the terminals 8, 9, and 10. When the
本実施の形態では、このような消去方向に初期化電圧が印加されると、上部電極18と下部電極14との間に電界が発生する。そのため記憶層17内に分布している導電性イオン、例えばCuイオンが上部電極18側に引き寄せられ、下部電極14側ではCu密度が低くなった領域が発生する。一方、例えば層間絶縁膜15中、下部電極14の界面および記憶層17の界面のいずれかに存在する酸素が下部電極14側に引き寄せられる。そのためCu密度が低くなった領域(開口部16)において記憶層17中の例えばSiとOが反応する。その結果、図1に示したように、開口部16にシリコン酸化層(高抵抗層19)が形成される。
In the present embodiment, when an initialization voltage is applied in such an erasing direction, an electric field is generated between the
ここで、上記に示したように、高抵抗層19(シリコン酸化層)の形成に必要な酸素は、層間絶縁膜15中、下部電極14の界面および記憶層17の界面のいずれかに存在していればよい。また、層間絶縁膜15を窒化物、例えば窒化シリコン(SiN)により形成するようにしてもよい。層間絶縁膜15を窒化物により形成すると、シリコン酸化層の代わりに窒化層(若しくは窒化酸化層)が高抵抗層19として形成される。
Here, as described above, oxygen necessary for forming the high resistance layer 19 (silicon oxide layer) exists in either the interface of the
初期化処理がなされた記憶素子1は、例えば図6(A)〜(C)に示したような波形のパルス電圧が印加されることにより、情報の書き込み,消去および読出しが行われる。まず、上部電極18に、例えば正電位(+電位)を印加して、下部電極14側が負になるように、記憶素子1に対して正電圧を印加する。これにより記憶層17から導電性イオン、例えばCuイオンが伝導し、下部電極14側で電子と結合して析出し、高抵抗層19中に金属状態に還元された低抵抗のCu電流パスが形成されることによって抵抗値が低くなる。
The
その後、正電圧を除去して、記憶素子1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。これにより情報の書込みがなされる(図6(A))。一度だけ記録が可能な記憶装置、所謂PROMに用いる場合には、書込み過程のみで完結する。一方、消去が可能な記憶装置、いわゆる、RAMあるいは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18に、例えば負電位(−電位)を印加して、下部電極14側が正になるように、記憶素子1に対して負電圧を印加する。これにより高抵抗層19中に形成されていた電流パスのCuが酸化してイオン化し、記憶層17に溶解若しくはTeと結合してCu2 Te、CuTe等の化合物を形成する。すると、Cuによる電流パスが消滅、または減少して抵抗値が高くなる。
After that, when the positive voltage is removed and the voltage applied to the
その後、負電圧を除去して、記憶素子1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。これにより情報の消去がなされる(図6(B))。このような過程を繰り返すことにより記憶素子1に情報の書き込みと消去とを繰り返し行うことができる。
After that, when the negative voltage is removed and the voltage applied to the
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.
書き込まれた情報の読み出しは、スイッチ3を開状態とし、記憶素子1の抵抗値の状態が遷移する電圧の閾値よりも小さい電圧パルス(図6(C))を印加することにより電流計7を流れる電流値を検出することにより行う。
To read out the written information, the
以下、具体的な実施例について説明する。 Specific examples will be described below.
(実施例1)
上記の製造方法および初期化方法により、図3(C)に示した断面構造を有する実施例1のデバイスを作製した。絶縁層12にはTEOS−SiO2 層を用いた。下部電極14にはWZrNbを用い、その形状は半径150nmの円柱状とした。層間絶縁膜15には膜厚8nmのSiO2 膜を用いた。このとき下部電極14の開口部は400nm2 とした。記憶層17には膜厚30nmのCuGeTeSi膜を用いた。上部電極18にはZr/Al膜を用いた。
Example 1
The device of Example 1 having the cross-sectional structure shown in FIG. 3C was manufactured by the above manufacturing method and initialization method. The insulating
続いて、上記の初期化方法によりデバイスの初期化を行った。すなわち、上記回路のスイッチ3を閉じ、端子10には13msのパルス幅で3.0Vのゲート電圧、端子8には0Vの電圧、端子9には2.1Vの初期化電圧を印加した。このとき、端子9には、100ns,1μs,10μs,100μsおよび10msの5種類の初期化電圧パルス幅Pinitを印加し、それぞれのパルス幅についてデバイスを作製した。
Subsequently, the device was initialized by the above initialization method. That is, the
上記の条件により初期化を行い、層間絶縁間15の開口部16に高抵抗層19を形成した。ここで、パルス幅10msの初期化電圧を印加したデバイスには、膜厚3nmのシリコン酸化膜が形成された。
Initialization was performed under the above conditions, and a high resistance layer 19 was formed in the
(実施例2,3,4)
実施例2〜4として、実施例1に対して層間絶縁膜15や記憶層17の組成が異なる3種類のデバイスを作製した。各組成は以下のとおり。
(実施例1;記憶層はCuGeTeSi、層間絶縁膜はSiO2 )
実施例2;記憶層はCuTeZrAl、層間絶縁膜はSiO2
実施例3;記憶層はCuTeZrSi、層間絶縁膜はSiO2
実施例4;記憶層はCuTeZrAl、層間絶縁膜はSiN
(Examples 2, 3, and 4)
As Examples 2 to 4, three types of devices having different compositions of the
(Example 1; the storage layer is CuGeTeSi, the interlayer insulating film is SiO 2 )
Example 2; the storage layer is CuTeZrAl, and the interlayer insulating film is SiO 2
Example 3; the storage layer is CuTeZrSi, and the interlayer insulating film is SiO 2
Example 4; the storage layer is CuTeZrAl, and the interlayer insulating film is SiN
各実施例に対して上記初期化を行い、初期化電圧パルス幅Pinitの異なる5種類のデバイスを各実施例毎に作製した。 The above-described initialization was performed on each example, and five types of devices having different initialization voltage pulse widths Pinit were produced for each example.
(特性評価)
上記デバイスに対して電気的特性に関する測定を行った。この測定は、図4に示す回路を用い、図6(A)に示した電圧波形を印加した。具体的には、スイッチ3を開き、各端子に以下の電圧を印加した。すなわち、端子9には50nsのパルス幅で0.1Vの読出し電圧、端子10には200nsのパルス幅で3.0Vのゲート電圧(電源電圧VDD)、端子8には0.1Vの電圧をそれぞれ印加した。
(Characteristic evaluation)
The device was measured for electrical characteristics. For this measurement, the voltage waveform shown in FIG. 6A was applied using the circuit shown in FIG. Specifically, the
図7はその結果であり、(Si,Zr,Al)のいずれかの金属元素を含む記憶層17と、SiO2 あるいはSiNからなる層間絶縁膜15とを用いた場合の初期化電圧パルス幅Pinitと初期化後の素子抵抗との関係を示すものである。横軸は初期化電圧パルス幅Pinit(s)、縦軸は初期化後の素子抵抗値(Ω)をそれぞれ表している。
FIG. 7 shows the result. The initialization voltage pulse width Pinit in the case of using the
これによると、いずれの実施例においても、同様の変化を示した。100nsのパルス幅Pinitを印加したデバイスの抵抗値は約15kohmであった。パルス幅Pinitを1μsに広げたときの抵抗値は約22kohmとなり、大きな変化は見られなかった。しかし、このパルス幅Pinitを10μsまで広げることで、抵抗値は約7Mohmとなり、顕著な増加傾向を示した。以降、パルス幅Pinitを100μs,1msと広げていくことで、抵抗値は、それぞれ20Mohm,36Mohmとなる緩やかな増加傾向を示した。 According to this, the same change was shown in all the examples. The resistance value of the device to which the pulse width Pinit of 100 ns was applied was about 15 kohm. When the pulse width Pinit was increased to 1 μs, the resistance value was about 22 kohms, and no significant change was observed. However, by increasing the pulse width Pinit to 10 μs, the resistance value becomes about 7 Mohm, indicating a remarkable increasing tendency. Thereafter, by increasing the pulse width Pinit to 100 μs and 1 ms, the resistance values showed a gradual increasing tendency of 20 Mohm and 36 Mohm, respectively.
以上の結果より、いずれの実施例においても、初期化電圧を印加すると、素子が高抵抗化することが分かった。特に、10μs以上の初期化電圧パルス幅Pinitで初期化を行うことで、素子抵抗が、例えばパルス幅100nsにおける約15kohmに対し、1Mohm以上の高抵抗となる。すなわち、従来のような希土類酸化膜を用いなくても、初期化を行うことによって素子を高抵抗化することができる。 From the above results, it was found that in any of the examples, when the initialization voltage was applied, the resistance of the element increased. In particular, by performing initialization with an initialization voltage pulse width Pinit of 10 μs or more, the element resistance becomes a high resistance of 1 Mohm or more, for example, about 15 kohm at a pulse width of 100 ns. In other words, the resistance of the element can be increased by performing initialization without using a rare earth oxide film as in the prior art.
ここで、実施例1〜3のデバイスはいずれも記憶層17の組成が異なるものであるが、これらのデバイスの初期化電圧パルス幅Pinitに対する素子抵抗は同様の変化を示している。すなわち、記憶層17の組成が異なる場合であっても、同様の酸化膜が形成される。よって、記憶層17に上記の金属元素(Si、Zr、Al)のいずれかが含有されていると、その金属元素が酸素と結合し、同様の酸化膜(高抵抗層19)を形成することができる。なお、実施例では示していないが、Si等以外のTiやCrも同様に高抵抗層を形成することができる。
Here, all the devices of Examples 1 to 3 have different compositions of the
また、実施例2および実施例4のデバイスは、層間絶縁膜15の組成が異なるものであるが、これらのデバイスの初期化電圧パルス幅Pinitに対する素子抵抗は同様の変化を示している。すなわち、実施例4のように層間絶縁膜15がSiNによって構成される場合であっても高抵抗層19が形成される。よって、層間絶縁膜15はシリコン酸化膜に限定されず、シリコン窒化膜としてもよい。
The devices of Example 2 and Example 4 are different in the composition of the
(繰り返し特性評価)
次に、繰り返し動作時の書込みおよび消去時の抵抗変化を測定した。
(Repeated characteristic evaluation)
Next, the resistance change at the time of writing and erasing during the repetitive operation was measured.
上記した実施例1のデバイス(初期化電圧パルス幅Pinit10ms)に対して、繰り返し動作時の書込みおよび消去動作時の抵抗変化(繰り返し特性)を測定した。繰り返し動作は、書込み動作と消去動作とを交互に10000回繰り返し行い、各書込みおよび消去動作毎に抵抗値を測定した。なお、本測定において、繰り返し動作は、書込み動作から始めることとした。 With respect to the device of Example 1 described above (initialization voltage pulse width Pinit 10 ms), the resistance change (repetitive characteristics) during the write and erase operations during the repetitive operation was measured. In the repetitive operation, the write operation and the erase operation were alternately repeated 10,000 times, and the resistance value was measured for each write and erase operation. In this measurement, the repetitive operation is started from the write operation.
上記繰り返し測定には、図4に示した回路を用いて行い、各動作時における印加電圧は以下の通りとした。 The repeated measurement was performed using the circuit shown in FIG. 4, and the applied voltage at each operation was as follows.
書込み動作時には、図6(A)に示したようにスイッチ3を閉じ、端子9には5nsの書込み電圧パルス幅Pwで3.0Vの書込み電圧Vw、端子8には3.0Vの書込み電圧Vw、端子10には125nsのゲートパルス幅Pgwで、1.3Vの書込み時のゲート電位Vgwをそれぞれ印加した。
At the time of the write operation, the
消去動作時には、図6(B)に示したようにスイッチ3を閉じ、端子9には1nsの消去電圧パルス幅Peで1.7Vの消去電圧Ve、端子8には0Vの電位、端子10には125nsのゲートパルス幅Pgeで、3.0Vのゲート電圧Vgeをそれぞれ印加した。
At the time of the erase operation, the
読出し時には、図6(C)に示したようにスイッチ3を開け、端子9には50nsのパルス幅で0.1Vの読出し電圧、端子8には0.1Vの読出し電圧、端子10には、3.0Vの電源電圧VDDを印加した。このとき、電流計7を用いて、記憶素子1に流れる電流と印加電圧(読出し電圧)とに基づき素子の抵抗値を測定した。
At the time of reading, the
その結果を図8に示す。図8の横軸は繰り返し動作回数(回)、縦軸は抵抗(Ω)をそれぞれ表している。書込み時(低抵抗時)の抵抗値は約10kohmであるが、消去時(高抵抗時)の抵抗値は約10Mohmとなる。すなわち、書込み時と、消去時との間には約3桁の読み出し抵抗マージンを持つ。従って、安定した抵抗変化スイッチング特性を呈し、良好なメモリ特性を有することが分かる。また、書込み時および消去時のいずれにおいても、繰り返し動作回数による抵抗値の変動は極めて小さい。すなわち、信頼性の高いメモリ特性も有する。 The result is shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 8 represents the number of repeated operations (times), and the vertical axis represents resistance (Ω). The resistance value at the time of writing (at the time of low resistance) is about 10 kohm, but the resistance value at the time of erasing (at the time of high resistance) is about 10 Mohm. That is, there is a read resistance margin of about 3 digits between writing and erasing. Therefore, it can be seen that the resistance change switching characteristic is stable and the memory characteristic is good. Further, the resistance value fluctuates due to the number of repetitive operations in both writing and erasing. That is, it also has highly reliable memory characteristics.
続いて、実施例1のデバイスに対し、初期化電圧パルス幅Pinitを、10ns,100ns,1μs,10μsとした初期化工程を行った。その後、各デバイス毎に上記の繰り返し特性の測定を行った。また、測定は初期化を行っていないデバイスも同時に測定した。ここで、繰り返し回数は1000回とした。また、測定時において、書込みおよび消去パルス幅は10nsおよび100nsとして、上記書込みおよび消去パルス幅毎に測定を行った。 Subsequently, an initialization process was performed on the device of Example 1 with the initialization voltage pulse width Pinit set to 10 ns, 100 ns, 1 μs, and 10 μs. Thereafter, the above repeated characteristics were measured for each device. In addition, devices that were not initialized were also measured at the same time. Here, the number of repetitions was 1000. At the time of measurement, the write and erase pulse widths were 10 ns and 100 ns, and the measurement was performed for each write and erase pulse width.
図9(A),(B)〜図13(A),(B)は、それぞれ初期化電圧パルス幅Pinitの異なるデバイスについての繰り返し特性を示したものである。図9はパルス幅Pinitが10μsの場合の結果、同じく図10では1μs、図11では100ns、図12では10nsの結果をそれぞれ表す。また、各図について、(A)は書込みおよび消去パルス幅が10nsのもの、(B)は100nsのものを示している。 FIGS. 9A, 9B to 13A, 13B show the repetitive characteristics of devices having different initialization voltage pulse widths Pinit. FIG. 9 shows the result when the pulse width Pinit is 10 μs, and similarly shows the result of 1 μs in FIG. 10, 100 ns in FIG. 11, and 10 ns in FIG. In each figure, (A) shows a write and erase pulse width of 10 ns, and (B) shows a 100 ns pulse width.
初期化を行わない場合、書込みおよび消去パルス幅が10nsでは全くスイッチング特性を示さず、100nsでは消去抵抗が徐々に上昇するがばらつきが大きい。初期化パルス幅を徐々に長くしていくにつれて、繰り返し動作における消去抵抗は上昇している。初期化電圧パルス幅が10μsの場合、書込みおよび消去パルス幅10nsでは書込み、消去抵抗マージンが1桁以上となり、書込みおよび消去パルス幅100nsにおいては約3桁という非常に安定かつ良好なスイッチング特性を示すようになった。 When the initialization is not performed, the switching characteristics are not exhibited at all when the write and erase pulse width is 10 ns, and the erase resistance gradually increases but the variation is large at 100 ns. As the initialization pulse width is gradually increased, the erase resistance in the repetitive operation increases. When the initialization voltage pulse width is 10 μs, the write / erase pulse width is 10 ns, the write / erase resistance margin is one digit or more, and the write / erase pulse width is 100 ns, which shows a very stable and good switching characteristic of about three digits. It became so.
これは、本実施の形態の記憶素子1のように記憶層17中に希土類酸化膜を持たない場合、書込み、消去がまったく行われていない状態から、消去方向に初期化電圧を印加することにより、記憶層17内に分布しているCuイオンが移動したことでCu密度が低くなった領域が発生するため、あるいはその密度が低くなった領域に他の元素が酸素と結合し酸化膜を形成したために、高抵抗層19(図1参照)が発生したことに起因すると考えられる。記憶層17中に希土類酸化膜を持たない場合、より安定なスイッチング特性を示すためには、上記高抵抗領域を安定に形成することが必要であり、そのためには初期化電圧パルス幅は10μs以上であることが好ましい。
This is because when the
以上のように本実施の形態(実施例)では、記憶素子1を形成した後に、外部から初期化電圧パルスを印加するようにしたので、記憶層17の下部電極14と接する領域(開口部16)に高抵抗層19が形成され、消去時(高抵抗時)における抵抗を高抵抗化できる。これにより、安定した抵抗変化スイッチング特性を呈し、良好なメモリ特性を得ることができる。また、開口部16に合わせて形成されるので、高抵抗層19延いては記憶素子1の微細化を容易にすることができる。
As described above, in this embodiment (example), since the initialization voltage pulse is applied from the outside after the
また、初期化電圧パルス幅Pinitを10μs以上とした場合には、約3桁の読出し抵抗マージンを有することで、より良好なメモリ特性を得ることができる。 In addition, when the initialization voltage pulse width Pinit is set to 10 μs or more, it is possible to obtain better memory characteristics by having a read resistance margin of about three digits.
さらに、記憶層17の一部(下部電極14との接触領域)を置換して高抵抗層19を形成するようにしたので、微小な領域(例えば、400nm2 の開口部16)に対して薄膜(例えば、膜厚3nm)を形成する場合であっても、特別な薄膜技術を用いることなく、高精度に薄膜を形成することができる。
Further, since the high resistance layer 19 is formed by replacing a part of the memory layer 17 (contact region with the lower electrode 14), a thin film is formed with respect to a minute region (for example, the
11…配線層、12…絶縁層、13…溝、14…下部電極、15…層間絶縁膜、16…開口部、17…記憶層、18…上部電極、19…高抵抗層。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
第1電極上に、イオン伝導材料と共にSi(シリコン),Zr(ジルコニウム),Al(アルミニウム),Ti(チタン)およびCr(クロム)のうちの少なくとも1種の金属元素が含まれる記憶層、および第2電極をこの順に形成して記憶素子を作製したのち、
初回の書込み動作の前に、前記第1電極および第2電極に対して消去方向に初期化パルス電圧を印加し、前記記憶層の前記第1電極または第2電極との界面近傍に前記金属元素の酸化層または窒化層を形成する
記憶素子の製造方法。 A method of manufacturing a storage element having a storage layer, wherein information is written or erased by a change in electrical characteristics of the storage layer,
A storage layer including, on the first electrode, at least one metal element of Si (silicon), Zr (zirconium), Al (aluminum), Ti (titanium), and Cr (chromium) together with an ion conductive material, and After forming the second electrode in this order and manufacturing the memory element,
Before the first write operation, an initialization pulse voltage is applied to the first electrode and the second electrode in the erasing direction, and the metal element is disposed in the vicinity of the interface of the memory layer with the first electrode or the second electrode. form of oxide layer or nitride layer
Manufacturing method of the serial憶素Ko.
請求項1記載の記憶素子の製造方法。A method for manufacturing a memory element according to claim 1.
請求項1に記載の記憶素子の製造方法。A method for manufacturing a memory element according to claim 1.
請求項1に記載の記憶素子の製造方法。A method for manufacturing a memory element according to claim 1.
請求項1に記載の記憶素子の製造方法。 It shall be the least 10μs pulse width of the reset voltage pulse
Method for manufacturing a memory element according to 請 Motomeko 1.
第1電極上に、イオン伝導材料と共にSi(シリコン),Zr(ジルコニウム),Al(アルミニウム),Ti(チタン)およびCr(クロム)のうちの少なくとも1種の金属元素が含まれる記憶層、および第2電極をこの順に形成して記憶素子を作製したのち、A storage layer including, on the first electrode, at least one metal element of Si (silicon), Zr (zirconium), Al (aluminum), Ti (titanium), and Cr (chromium) together with an ion conductive material, and After forming the second electrode in this order and manufacturing the memory element,
初回の書込み動作の前に、前記第1電極および第2電極に対して消去方向に初期化パルス電圧を印加し、前記記憶層の前記第1電極または第2電極との界面近傍に前記金属元素の酸化層または窒化層を形成するBefore the first write operation, an initialization pulse voltage is applied to the first electrode and the second electrode in the erasing direction, and the metal element is disposed in the vicinity of the interface of the memory layer with the first electrode or the second electrode. Form an oxide or nitride layer
記憶装置の製造方法。A method for manufacturing a storage device.
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