JP5422675B2 - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Description
最初に、本発明の不揮発性半導体記憶装置に用いるメモリセル部のダイオードの概念について、図1を用いて説明する。ワード線(第1の配線層)として機能する下側電極10の上に、下側絶縁膜(bottom oxide:第1の絶縁膜)21、導電性の微粒子を含む微粒子層22、及び上側絶縁膜(top oxide:第2の絶縁膜)23を積層することによりMIMダイオード素子20が形成されている。上側絶縁膜23上に中間電極30が配置され、その上に可変抵抗膜(可変抵抗素子)40が配置され、更にその上にビット線(第2の配線層)として機能する上側電極50が配置されている。
図4は、トンネル絶縁膜を有するデバイス構造における電流−電界特性を示す図である。この図4は、導電性微粒子を含むトンネル絶縁膜で順方向電流の増大がどのように起こるかを例示する目的で示すものである。本計算例のデバイス構造は、下側電極と、その上に下側絶縁膜としての膜厚1nmのSiO2 、その上に導電性微粒子としての粒径1nmのSi微粒子、その上に上側絶縁膜としての厚さ3nmのSiO2 、その上に上側電極を配置した構造である。このデバイスの下側電極から電子を注入する際の電流−電界特性は、WKB(Wentzel-Kramers-Brillouin)法で見積もった。なお、以下では、実効電界(SiO2 換算電界)をEeff と表示する。
図1のダイオードの逆方向電流は、順方向電流とは逆に、上側絶縁膜から電子を注入する場合に相当する。本発明では、上側絶縁膜の誘電率を下側絶縁膜の誘電率よりも大きくすることによって逆方向電流を大幅に抑制する。さらに、上側絶縁膜を十分に厚くし、導電性微粒子が逆方向電流に与える影響(電流の増大)を抑制するのが望ましい。
以上が本発明の原理の説明である。即ち本発明は、前記図1に示すように、導電性微粒子を含有する微粒子層(トンネル絶縁膜)を用いてReRAMのダイオードを構成することに特徴がある。導電性微粒子を境にして可変抵抗素子40側に配置された絶縁膜23を「上側絶縁膜」、また、可変抵抗素子40とは反対側に配置された絶縁膜21を「下側絶縁膜」と定義している。
図8は、本発明の第1の実施形態に係わる不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイの構成を示す斜視図である。図中の1はSi基板、2はSiO2 膜、3はメモリセル部、10は第1の配線(下側電極)、50は第2の配線(上側電極)、100は第1の配線層、500は第2の配線層を示している。
図12は、本発明の第2の実施形態に係わる不揮発性半導体記憶装置に用いたメモリセル部の構成を示す断面図である。
図15は、本発明の第3の実施形態に係わる不揮発性半導体記憶装置に用いたメモリセル部の構成を示す断面図である。
x=10/(10+9)=0.53
となる。
4(1−x)/(7−4x)×100(%)
で与えられることから、下側絶縁膜61の平均窒素濃度は21%、上側絶縁膜23の平均窒素濃度は39%となる。つまり、上側絶縁膜23の膜厚方向の平均窒素濃度が下側絶縁膜61の膜厚方向の平均窒素濃度よりも高くなり、上側絶縁膜23の誘電率の方が下側絶縁膜61のそれよりも高くなっている。
図17は、本発明の第4の実施形態に係わる不揮発性半導体記憶装置に用いたメモリセル部の構成を示す断面図である。
図18は、本発明の第5の実施形態に係わる不揮発性半導体記憶装置に用いたメモリセル部の構成を示す断面図である。
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、導電性微粒子としてSi微結晶を用いた例を示したが、導電性微粒子は必ずしもSiに限ることはない。Siの他に、Ge,GaNなどの半導体、シリコンゲルマニウム,シリコンカーバイトなどの半導体材料を用いてもよい。さらに、これらの材料にドーパント不純物を添加したものを使っても構わない。また、導電性微粒子は必ずしも半導体である必要はなく、導電性を有する金属、金属窒化物、金属炭化物、金属珪化物などを幅広く用いることができる。
2…SiO2 膜(選択酸化膜)
3…メモリセル
10…第1の配線(下側電極)
20…ダイオード素子
21…下側絶縁膜(第1の絶縁膜)
22…導電性微粒子層
23…上側絶縁膜(第2の絶縁膜)
30…導電性電極(中間電極)
40…可変抵抗膜(可変抵抗素子)
50…第2の配線(上側電極)
61…シリコン酸窒化膜(第1の絶縁膜)
100…ワード線(第1の配線層)
110…TiN膜(下側電極)
211,213…Al2 O3 膜
212,221,223,232,234…SiO2 膜
222,231,233,235…Si3 N4 膜
310…Si層(中間電極)
500…ビット線(第2の配線層)
Claims (15)
- 基板上に複数の第1の配線が相互に平行配置された第1の配線層と、
前記第1の配線層とは離間して設けられ、前記第1の配線と交差するように複数の第2の配線が相互に平行配置された第2の配線層と、
前記第1の配線と第2の配線との交差部分にそれぞれ配置され、抵抗値の異なる状態を情報として記憶する可変抵抗素子と整流性を有するダイオード素子とを積層して形成されたメモリセル部と、
を備え、
前記ダイオード素子は、前記第1の配線層側から順に第1の絶縁膜、導電性微粒子を含む導電性微粒子層、及び第2の絶縁膜を含む積層構造を備えており、前記第2の絶縁膜の物理膜厚が前記第1の絶縁膜の物理膜厚よりも厚く、且つ前記第2の絶縁膜の誘電率が前記第1の絶縁膜の誘電率よりも大きいことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第1の絶縁膜は前記第1の配線層に直接接続され、前記第2の絶縁膜は直接又は導電性電極を介して前記可変抵抗素子に接続されていることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1の絶縁膜はシリコン酸化膜であり、該シリコン酸化膜の物理膜厚は0.3nm以上0.9nm以下の範囲にあることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1の絶縁膜はシリコン酸窒化膜であり、該シリコン酸窒化膜の下限は物理膜厚で0.3nmであり、且つ上限は電気膜厚で0.9nmであることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記導電性微粒子層はシリコン微粒子で形成され、前記導電性微粒子層の膜厚方向に対する前記シリコン微粒子の径(サイズ)は0.7nm以上3.0nm以下の範囲にあることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第2の絶縁膜は、アルミナ、又はアルミナとシリコン酸化膜の積層膜で形成されることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第2の絶縁膜は、シリコン酸窒化膜,シリコン窒化膜の何れか、又はシリコン酸化膜,シリコン窒化膜,シリコン酸化膜の積層膜で構成されることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1の絶縁膜はシリコン酸化膜若しくはシリコン酸窒化膜で形成され、前記第2の絶縁膜は、シリコン酸窒化膜,シリコン窒化膜の何れか、又はシリコン酸化膜,シリコン酸窒化膜,シリコン窒化膜のうちの少なくとも2種の積層膜で形成され、前記第2の絶縁膜の膜厚方向の平均窒素濃度が前記第1の絶縁膜の膜厚方向の平均窒素濃度よりも高いことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1の絶縁膜は前記第1の配線層に直接接続され、前記第2の絶縁膜はSi層を介して前記可変抵抗素子に接続されていることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第2の絶縁膜は、Hf,Zr,La,Ceの酸化物、酸窒化物、アルミネート、シリケート、アルミニウム・シリケートのうちの何れか、又はこれらの積層膜で形成されることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1の配線は、TiNであることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1の絶縁膜は前記第1の配線に接続され、前記第2の絶縁膜は導電性電極を介して前記可変抵抗素子に接続され、
前記導電性電極を構成する材料の仕事関数は、前記第1の配線を構成する材料の仕事関数よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第2の配線を構成する材料と、前記第1の配線を構成する材料とは同じであることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 基板上に複数の第1の配線が相互に平行配置された第1の配線層と、
前記第1の配線層とは離間して設けられ、前記第1の配線と交差するように複数の第2の配線が相互に平行配置された第2の配線層と、
前記第2の配線層とは離間して設けられ、前記第2の配線と交差するように複数の第3の配線が相互に平行配置された第3の配線層と、
前記第1の配線と第2の配線との交差部分、前記第2の配線と前記第3の配線の交差部分にそれぞれ配置され、抵抗値の異なる状態を情報として記憶する可変抵抗素子と整流性を有するダイオード素子とを積層して形成されたメモリセル部と、
を備え、
前記ダイオード素子は、下層側から上層側の順に第1の絶縁膜、導電性微粒子を含む導電性微粒子層、及び第2の絶縁膜を含む積層構造を備えており、前記第2の絶縁膜の物理膜厚が前記第1の絶縁膜の物理膜厚よりも厚く、且つ前記第2の絶縁膜の誘電率が前記第1の絶縁膜の誘電率よりも大きいことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 基板上に積層された複数のメモリセルユニットを備えた不揮発性半導体記憶装置であって、
前記各メモリセルユニットは、複数の第1の配線を相互に平行配置することで構成された第1の配線層と、前記第1の配線層とは離間して設けられた、前記第1の配線と交差するように複数の第2の配線を相互に平行配置することで構成された第2の配線層と、前記第1の配線と第2の配線との交差部分にそれぞれ配置され、抵抗値の異なる状態を情報として記憶する可変抵抗素子と整流性を有するダイオード素子とを積層することで構成されたメモリセル部と、を備え、
前記ダイオード素子は、前記第1の配線層側から順に第1の絶縁膜、導電性微粒子を含む導電性微粒子層、及び第2の絶縁膜を含む積層構造を備えており、前記第2の絶縁膜の物理膜厚が前記第1の絶縁膜の物理膜厚よりも厚く、且つ前記第2の絶縁膜の誘電率が前記第1の絶縁膜の誘電率よりも大きいことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
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