JP6273184B2 - 抵抗変化型記憶装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
このような負荷抵抗の材料は、配線等に用いられる材料に比して比抵抗が高いこと及び電流−電圧特性が略線形であることが好ましい。例えば、絶縁性のシリコン窒化物(SiN)、シリコン酸化物(SiO2)及びアルミニウム窒化物(AlN)等の絶縁材料は高抵抗であるが、電流−電圧特性は線形でないため、負荷抵抗の材料にはあまり適していない。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置を例示する斜視図である。
図2は、図1に示す部分Aを例示する断面図である。
図3は、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置の高抵抗層を例示する断面図である。
図4は、横軸に上下方向の位置をとり、縦軸にタンタルの濃度をとって、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置の高抵抗層におけるタンタルの濃度プロファイルを例示するグラフである。
本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置はCBRAM(Conduction−Bridge RAM)である。
図2に示すように、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置のピラー16においては、ワード線WL側からビット線BL側に向かって、下部バリアメタル層21、高抵抗層22、上部バリアメタル層23、下部電極24、抵抗可変層25、金属層26及び上部電極27が、この順に積層されている。
なお、抵抗可変層25及び金属層26を合わせて抵抗変化層31という。
図5は、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置のスパッタ法による製造方法を例示する図である。
次に、例えば、ダマシン法によりワード線WLを形成する。
次に、ワード線WLの上に、下部バリアメタル層21を形成する。
次に、下部バリアメタル層21の上に高抵抗層22を形成する。高抵抗層22は、例えばスパッタ法により、シリコン(Si)とタンタル窒化物(TaN)とを交互に堆積させることにより、形成する。
次に、上部電極27及び層間絶縁膜17の上に、ワード線WLを形成したときと同様にして、ビット線BLを形成する。
以下、同様にして、ピラー16、ワード線WL、ピラー16及びビット線BLを繰り返し形成して、抵抗変化型記憶装置1を製造する。
図6(а)及び(b)は、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置の動作を例示する断面図である。図6(а)は、抵抗可変層25が高抵抗状態である場合を示し、図6(b)は、抵抗可変層25が低抵抗状態である場合を示している。
図7は、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置の電流−電圧特性を例示するグラフである。グラフの横軸は、下部電極24と上部電極27との間に印加する電圧値を示し、縦軸は、上部電極27と下部電極24との間に流れる電流値の絶対値を示している。
そして、フィラメント30形成後は、フィラメント30形成前よりも低い電圧であるスレッショールド電圧Vthから電流が急激に増加し始め、電流は図7の部分iv−v−iiiに沿って変化する。
これは、絶対値がリセット電圧Vresetよりも大きい逆電圧を印加することで、フィラメント30を形成していた銀原子が再びイオン化して銀イオンになり上部電極27に向かって移動する。そして、金属層26内で上部電極27から供給された電子と結合して再び銀原子に戻り、抵抗可変層25内のフィラメント30の少なくとも一部が消失するからである。この動作を「リセット」という。抵抗可変層25が高抵抗状態にあるときは、電流は図7の部分iv−i−ii−iiiに沿って変化する。
一度、抵抗可変層25が高抵抗状態になると、電圧をセット電圧Vsetより高くしない限り、高抵抗状態が維持される。また、一度、抵抗可変層25が低抵抗状態になると、絶対値がリセット電圧Vresetの絶対値よりも大きい逆電圧を印加しない限り、低抵抗状態が維持される。
本実施形態において、高抵抗層22は、タンタル窒化層28とシリコン層29とが交互に積層され形成されている。
導電性が高いシリコンと絶縁性が高いタンタル窒化物を、高抵抗層22の材料に使用することで、好適な比抵抗を備え、電流−電圧特性が略線形である高抵抗層22が実現できる。その結果、セル印加電圧を分配し、抵抗変化層31に過大な電流が流れることによる抵抗変化型記憶装置の破壊を防止することができる。
これに対して、高抵抗層22としてタンタルシリコン窒化物(TaSiN)からなる単層膜を用いることも考えられる。この場合においても、比抵抗が高く、電流−電圧特性の線形性が良好な高抵抗層を得ることができる。しかしながら、この場合は、高抵抗層をスパッタ法により形成する際に、硬い金属間化合物であるタンタルシリコン窒化物(TaSiN)からなるターゲットを用いることとなり、スパッタに伴い多量のダストが発生してしまう。
また、本実施形態によれば、ワード線WLと抵抗変化層31の間に高抵抗層22を有するため、ワード線WLからの不純物拡散を抑制できる。
本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置はCBRAM(Conduction−Bridge RAM)である。
図8は、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置の高抵抗層を例示する断面図である。
図8に示すように、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置の高抵抗層34は、前述の第1の実施形態に係る抵抗変化型記憶装置の高抵抗層22(図3参照)と比較して、アルミニウム(Al)からなるアルミニウム層32と、アルミニウム窒化物(AlN)からなるアルミニウム窒化層33とが交互に積層されている点が異なっている。
また、第1の実施形態と同様に、本実施形態に係るアルミニウム層32とアルミニウム窒化層33との界面も明確に観察できるとは限らない。高抵抗層34における上下方向に沿った窒素(N)の濃度プロファイルは、第1の実施形態と同様に周期的に振動している。
本実施形態における上記以外の構成は、前述の第1の実施形態と同様である。
図9(а)〜(c)は、本実施形態に係る高抵抗層34の製造方法を例示する断面図である。
先ず、シリコン基板11上に、層間絶縁膜12〜下部バリアメタル層21を形成するまでは第1の実施形態と同じである。
次に、下部バリアメタル層21の上に高抵抗層34を形成する。高抵抗層34を形成する方法を以下に説明する。
本実施形態における上記以外の製造方法、動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置はReRAMである。
図10は、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置のピラーを例示する断面図である。
図10に示すように、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置のピラー16は、前述の第1の実施形態に係る抵抗変化型記憶装置のピラー16(図2参照)と比較して、抵抗可変層25と金属層26に代わって、抵抗変化層35が設けられている点が異なっている。抵抗変化層35は、例えば、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化亜鉛等の金属酸化物やカーボン、カルコゲナイド材料により形成されている。
本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置の製造方法は、前述の第1の実施形態に係る抵抗変化型記憶装置の製造方法と比較して、下部電極24の上に抵抗可変層25及び金属層26を形成する代わりに、抵抗変化層35を形成する点が異なっている。
図10に示す抵抗変化型記憶装置のピラー16に対してセット電圧Vsetを印加すると、例えば金属酸化物で形成されている抵抗変化層35に酸素空孔が発生する。酸素空孔が発生したことにより、フィラメントが形成され抵抗変化層35が高抵抗状態から低抵抗状態へと変化する。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
図11は、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置のピラーを例示する断面図である。
本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置においては、前述の第3の実施形態において説明したReRAMに、前述の第2の実施形態において説明した(Al/AlN)積層膜からなる高抵抗層が設けられている。
より具体的には、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置の全体構造は、図1に示すようなクロスポイント構造であり、各ピラー16の構成は、図11に示すように、金属酸化物からなる抵抗変化層35及び高抵抗層34等が設けられた構成である。そして、図8に示すように、アルミニウム層32とアルミニウム窒化層33とが交互に積層されて、高抵抗層34が形成されている。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第3の実施形態と同様である。
また、シリコンの代わりに、例えば、チタン、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、ハフニウム、モリブデン、タングステン及びバナジウムからなる群より選択された1種以上の金属を含んだ材料で形成してもよいし、タンタル窒化物の代わりに、例えば、シリコン、チタン、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、ハフニウム、モリブデン、タングステン及びバナジウムからなる群より選択された1種以上の金属の窒化物又は酸化物を含む材料で形成してもよい。
また、前述の各実施形態においては、CBRAM、ReRAMを例に説明したが、無論、これら以外の動作原理を有する素子でもよく、例えば、PCRAM(Phase Change Memory)や分子メモリ等でもかまわない。
Claims (6)
- 第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に接続された抵抗変化層と、
前記第1電極又は前記第2電極に接続され、抵抗率が前記第1電極の抵抗率及び前記第2電極の抵抗率よりも高い高抵抗層と、
を備え、
前記高抵抗層は、
第1材料からなる複数の第1材料層と、
前記第1材料とは異なる第2材料からなる複数の第2材料層と、
を有し、
前記第1材料は、アルミニウムを含み、
前記第2材料は、アルミニウム窒化物を含み、
前記第1材料層及び前記第2材料層は交互に積層されている抵抗変化型記憶装置。 - 前記第1材料は、シリコン、チタン、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、ハフニウム、モリブデン、タングステン及びバナジウムからなる群より選択された1種以上の金属を含み、
前記第2材料は、シリコン、チタン、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、ハフニウム、モリブデン、タングステン及びバナジウムからなる群より選択された1種以上の金属の窒化物又は酸化物を含む請求項1記載の抵抗変化型記憶装置。 - 第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に接続された抵抗変化層と、
前記第1電極又は前記第2電極に接続され、抵抗率が前記第1電極の抵抗率及び前記第2電極の抵抗率よりも高く、少なくとも第1成分及び第2成分を含む高抵抗層と、
を備え、
前記第1成分は、アルミニウムであり、
前記第2成分は、窒素であり、
前記高抵抗層における前記第1電極から前記第2電極に向かう方向に沿った前記第1成分の濃度プロファイルは、振動している抵抗変化型記憶装置。 - 前記濃度プロファイルは周期的に振動している請求項3記載の抵抗変化型記憶装置。
- 第1電極上に抵抗変化層を形成する工程と、
前記抵抗変化層上に第2電極を形成する工程と、
前記第1電極又は前記第2電極に接続されるように、抵抗率が前記第1電極の抵抗率及び前記第2電極の抵抗率よりも高い高抵抗層を形成する工程と、
を備え、
前記高抵抗層を形成する工程は、
第1材料を堆積させることにより、第1材料層を形成する工程と、
前記第1材料とは異なる第2材料からなる第2材料層を形成する工程と、
を有し、
前記第1材料層を形成する工程と前記第2材料層を形成する工程とを複数回繰り返し、
前記第2材料層を形成する工程は、前記第1材料層の一部を窒化又は酸化させる工程を有する抵抗変化型記憶装置の製造方法。 - 前記第1材料は、シリコン、チタン、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、ハフニウム、モリブデン、タングステン及びバナジウムからなる群より選択された1種以上の金属を含み、
前記第2材料は、シリコン、チタン、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、ハフニウム、モリブデン、タングステン及びバナジウムからなる群より選択された1種以上の金属の窒化物又は酸化物を含む請求項5記載の抵抗変化型記憶装置の製造方法。
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