JP5434921B2 - 記憶素子および記憶装置 - Google Patents
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Description
{(Zr最大イオン価数×モル数または原子%)+(Cuイオン価数×モル数または原子%)}/(カルコゲン元素のイオン価数×モル数または原子%)=0.5〜1.5
の範囲内であればよいと考えられる。
Zr組成比(原子%)/Te組成比(原子%)=0.2〜0.74
の範囲にあることが望ましい。これについては必ずしも明らかではないが、Zrに比べてCuの乖離度が低いこと、イオン源層3の抵抗値がZrとTeの組成比によって決まることから、上記の範囲にある場合に限り好適な抵抗値が得られるため、記憶素子10に印加したバイアス電圧が高抵抗層2の部分に有効に印加されるためと考えられる。
まず、図2および図3に示したように、半導体基板11にMOSトランジスタTrを形成した。次いで、半導体基板11の表面を覆うように絶縁層を形成し、この絶縁層にビアホールを形成した。続いて、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によりビアホールの内部を、W(タングステン)から成る電極材で充填し、その表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)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および下部電極1を形成して、更に下部電極1をメモリセル毎にパターニングした。この下部電極1の開口部の大きさは直径300nmとした。次に、下部電極1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。このとき、下部電極1の表面を絶縁層と実質的に同一の高さになるよう平坦化した。次に、DCマグネトロンスパッタにより、膜厚1.0nmの金属Gd膜を形成し、更にチャンバー圧1mTorr(0.133Pa),O2雰囲気,投入電力500Wの条件のRFプラズマによってGd膜を10秒間酸化し、このGd酸化物を高抵抗層2とした。
(サンプル2〜8)
イオン源層3として、下記の組成比を有するZrTeAl層(Cu/Zr=0)を45nm堆積した。なお、以下の「%」は「原子%」を意味する。
サンプル2 Zr10%−Te50%−Al40%
サンプル3 Zr13%−Te46%−Al41%
サンプル4 Zr16%−Te43%−Al41%
サンプル5 Zr20%−Te41%−Al39%
サンプル6 Zr22%−Te37%−Al41%
サンプル7 Zr26%−Te35%−Al39%
サンプル8 Zr28%−Te32%−Al40%
イオン源層3として、下記の組成比を有するCuZrTeAl層(Cu/Zr=1)を45nm堆積した。
サンプル10 Cu5%−Zr5%−Te38%−Al52%
サンプル11 Cu7.5%−Zr7.5%−Te37%−Al48%
サンプル12 Cu9%−Zr9%−Te35%−Al47%
サンプル13 Cu13%−Zr13%−Te31%−Al43%
サンプル14 Cu14%−Zr14%−Te30%−Al41%
サンプル15 Cu18%−Zr18%−Te27%−Al37%
イオン源層3として、下記の組成比を有するCuZrTeAl層(Cu/Zr=2)を45nm堆積した。
サンプル20 Cu12%−Zr6%−Te42%−Al40%
サンプル21 Cu14%−Zr7%−Te39%−Al40%
サンプル22 Cu16%−Zr8%−Te35%−Al41%
サンプル23 Cu18%−Zr9%−Te33%−Al40%
サンプル24 Cu21%−Zr10%−Te29%−Al40%
サンプル25 Cu24%−Zr12%−Te24%−Al40%
イオン源層3として、下記の組成比を有するCuZrTeAl層(Cu/Zr=4)を45nm堆積した。
サンプル30 Cu17%−Zr4%−Te39%−Al40%
サンプル31 Cu20%−Zr5%−Te35%−Al40%
サンプル32 Cu24%−Zr6%−Te30%−Al40%
サンプル33 Cu26%−Zr7%−Te27%−Al40%
サンプル34 Cu32%−Zr8%−Te20%−Al40%
サンプル35 Cu36%−Zr9%−Te15%−Al40%
イオン源層3として、イオン化する金属元素としてZrを用いて、下記の組成比を有する膜を45nm堆積した。ZrとTeの当量比を一定(=1)として、Alの組成比を20,31,41,50,61%と変化させた。
サンプル40 Zr22%−Te58%−Al20%
サンプル41 Zr20%−Te50%−Al30%
サンプル4 Zr16%−Te43%−Al41%
サンプル42 Zr14%−Te36%−Al50%
サンプル43 Zr11%−Te28%−Al61%
イオン源層3として、下記の組成比を有するCuZrTeAlGe層を45nm堆積した。Ge組成比を0,7,10,15,20%と変化させた。
サンプル13 Cu13%−Zr13%−Te31%−Al43%
サンプル1 Cu11%−Zr11%−Te29%−Al42%−Ge7%
サンプル51 Cu8.5%−Zr8.5%−Te28%−Al40%−Ge15%
サンプル52 Cu10%−Zr10%−Te20%−Al40%−Ge20%
(実験1)
サンプル1の記憶素子10のセルアレイ20に対して、上部電極4に接続された上部配線をVdd/2の中間電位に設定し、選択するメモリセルのゲート電極即ちワード線WLに電圧を印加してオン状態にした。そして、トランジスタTrのソース/ドレイン領域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、例えば、所望のパルス幅で3.0Vを印加する「書き込み動作」を行い、その後に抵抗値を読み出した。これをメモリセルアレイ中の10素子×2列で合計20素子に対して行った。次いで、ゲート電極に3.0Vを印加してオン状態にして上部電極と下部電極に電圧を「書き込み」とは逆の電圧を印加し、「消去動作」を行い、消去状態の抵抗値を読み出した。この書き込みおよび消去動作をメモリセルアレイに対して繰り返して行うことにより、繰り返し動作特性を評価することができる。また、書き込みおよび消去動作時のパルス幅を例えば狭くすれば、高速動作特性を評価することができる。まずは、サンプル1(実施例)とサンプル15(比較例)について書き込み10ns/消去10nsでの高速パルス条件で行われた106回繰り返し動作特性の結果を図4に示す。
次に、必要とされるメモリ特性を高い次元でバランスよく実現できる組成範囲を決定するため、サンプル1の組成からGeを除くZrTeAlまたはCuZrTeAlの好適な組成比を求める実験として、Cu/Zr=0,1,2,4における陽イオン化元素と陰イオン化元素の比率依存性の実験を行った。その結果を以下に示す。
Claims (10)
- 第1電極および第2電極と、
前記第1電極と第2電極との間に設けられると共にイオン源層を有する記憶層とを備え、
前記イオン源層は、Te,SおよびSeのうち少なくとも1種のカルコゲン元素と共に、少なくともZrおよびAlを含み、前記イオン源層中のAlの含有量が30原子%以上50原子%以下の範囲である記憶素子。 - 前記イオン源層はCuを含む
請求項1に記載の記憶素子。 - 前記イオン源層中のZrの含有量は、7.5原子%以上26原子%以下の範囲である
請求項1または2に記載の記憶素子。 - 前記イオン源層はGeを含み、前記イオン源層中のGeの含有量は15原子%以下である
請求項1に記載の記憶素子。 - 前記記憶層は、前記イオン源層と共に前記イオン源層よりも抵抗値の高い高抵抗層を有する
請求項1に記載の記憶素子。 - 前記第1電極および前記第2電極への電圧印加によって前記記憶層内に少なくとも前記Zrを含む電流パスが形成されることにより抵抗値が低下する
請求項1に記載の記憶素子。 - 第1電極および第2電極との間にイオン源層を含む記憶層を有する複数の記憶素子と、前記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ためのパルス印加手段とを備え、
前記イオン源層は、Te,SおよびSeのうち少なくとも1種のカルコゲン元素と共に、少なくともZrおよびAlを含み、前記イオン源層中のAlの含有量が30原子%以上50原子%以下の範囲である記憶装置。 - 前記複数の記憶素子は、2値以上の多値情報を記憶する
請求項7に記載の記憶装置。 - 隣接する複数の記憶素子において、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7に記載の記憶装置。 - 前記複数の記憶素子における共通の層は、高抵抗層、イオン源層および第2電極であり、前記第1電極は素子毎に個別に形成されている
請求項7に記載の記憶装置。
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