JPWO2007138646A1 - NONVOLATILE MEMORY ELEMENT, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND SEMICONDUCTOR DEVICE USING NONVOLATILE MEMORY ELEMENT - Google Patents
NONVOLATILE MEMORY ELEMENT, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND SEMICONDUCTOR DEVICE USING NONVOLATILE MEMORY ELEMENT Download PDFInfo
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Abstract
不揮発性メモリ素子は、可変抵抗部と、可変抵抗部に直列に接続されたメモリセル選択用MISFETとによって構成されている。可変抵抗部は、最外殻電子軌道がd電子またはf電子によって構成された強相関電子系材料からなる薄膜(五酸化タンタル膜20)と、薄膜の一方の面にオーミック接触された第1電極(電極21)と、薄膜の他方の面に非オーミック接触された第2電極(プラグ19)とからなり、強相関電子系材料からなる薄膜と前記第2電極との界面における電気抵抗値の大小によって情報が記憶される。強相関電子系材料や電極材料には、既存のシリコンプロセスですでに使われている材料、または容易に導入可能な材料が用いられる。The nonvolatile memory element includes a variable resistance portion and a memory cell selection MISFET connected in series to the variable resistance portion. The variable resistance portion includes a thin film (tantalum pentoxide film 20) made of a strongly correlated electron material whose outermost electron trajectory is composed of d electrons or f electrons, and a first electrode in ohmic contact with one surface of the thin film. (Electrode 21) and the second electrode (plug 19) in non-ohmic contact with the other surface of the thin film, and the magnitude of the electric resistance value at the interface between the thin film made of strongly correlated electron material and the second electrode To store information. As the strongly correlated electron material or electrode material, a material already used in an existing silicon process or a material that can be easily introduced is used.
Description
本発明は、不揮発性メモリ素子およびその製造技術に関し、特に、強相関電子系材料を用いた抵抗値可変型不揮発性メモリに適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a nonvolatile memory element and a manufacturing technique thereof, and more particularly to a technique effective when applied to a variable resistance nonvolatile memory using a strongly correlated electron material.
シリコン(Si)を用いた大規模集積回路(Large Scale Integration)技術は、現代社会に欠かすことができない技術となっている。例えばパーソナル・コンピュータや携帯電話には、複数のLSIが搭載されている。これらのLSIには、CPU(Central Proceccing Unit)などのように、情報を処理するプロセッサと呼ばれるものや、DRAM(Dynamic Random-Access Memory)に代表されるように、情報を記憶するメモリと呼ばれるものなどがある。プロセッサもメモリも、半導体の微細加工技術が進展するにつれて、より多くのトランジスタを一つの半導体チップ(以下、単にチップという)に集積化することが可能になり、より多くの情報を処理することができるようになっている。素子の微細化による高集積化はスケーリングと呼ばれ、半導体産業を支える指導原理となっている。 Large scale integration technology using silicon (Si) has become an indispensable technology for modern society. For example, personal computers and mobile phones are equipped with a plurality of LSIs. These LSIs include what is called a processor that processes information, such as a CPU (Central Processing Unit), and what is called a memory that stores information, such as DRAM (Dynamic Random-Access Memory). and so on. As the semiconductor microfabrication technology advances, more processors and memories can be integrated into a single semiconductor chip (hereinafter simply referred to as a chip), and more information can be processed. It can be done. High integration by miniaturization of elements is called scaling and is a guiding principle that supports the semiconductor industry.
ところが、製品レベルの最小加工寸法が100nmを下回るにつれて、素子のさらなる微細化に大きな困難が生じている。例えば、CPUを支える個々のトランジスタは、電界効果型トランジスタ(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor;MISFET)を主体としているが、このMISFETのゲート絶縁膜の膜厚は、2.0nmを下回っている。これは、実に原子層10層分程度の薄さである。そのため、ゲート絶縁膜のさらなる薄膜化を行うと、膜中を直接トンネル電流が流れるようになり、消費電力の増大を招く。 However, as the minimum processing dimension at the product level falls below 100 nm, great difficulty has arisen in further miniaturization of elements. For example, each of the transistors that support the CPU is mainly a field effect transistor (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor; MISFET). The thickness of the gate insulating film of the MISFET is less than 2.0 nm. This is actually as thin as about 10 atomic layers. Therefore, when the gate insulating film is further thinned, a tunnel current directly flows in the film, resulting in an increase in power consumption.
そこで、この問題を解決するために、ゲート絶縁膜材料として、誘電率が従来の酸化シリコン(SiO2)よりも大きい高誘電率ゲート絶縁膜(比誘電率はkで表されることが多いため、high−k膜とよばれる)の研究開発が世界中で活発に行われるようになっている。high−k膜のゲート絶縁膜への適用は、未だ実用化されていないが、次世代のCPUには不可欠の技術であると考えられている。Therefore, in order to solve this problem, as a gate insulating film material, a high dielectric constant gate insulating film having a dielectric constant larger than that of conventional silicon oxide (SiO 2 ) (the relative dielectric constant is often expressed by k). Research and development (called high-k membranes) are being actively carried out all over the world. Although the application of the high-k film to the gate insulating film has not yet been put into practical use, it is considered to be an indispensable technology for the next-generation CPU.
このように、トランジスタの例をみてもわかる通り、スケーリングをさらに推し進めるためには、単なる構造の微細化だけでは不十分であり、シリコン・プロセスには使われていない新しい材料を導入することを検討する必要がある。新しい材料を導入することによって、現在では限界と思われている性能を突破することができれば、LSIチップの性能をさらに高めることができ、より高度な情報処理ができるようになるので、産業界のニーズに応えることができるようになる。 In this way, as you can see from the transistor example, it is not enough to simply scale down the structure for further scaling, and we are considering introducing new materials that are not used in the silicon process. There is a need to. By introducing new materials, if the performance that is currently considered to be the limit can be overcome, the performance of the LSI chip can be further enhanced, and more advanced information processing can be performed. You will be able to meet your needs.
新材料の導入による性能向上は、CPUに限ったものではない。メモリの一種であるDRAMは、キャパシタに蓄えられる電荷の量で情報を記憶しているが、より多くの電荷を蓄えるために、キャパシタ用絶縁膜として酸化タンタル(Ta2O5)などのhigh−k膜が適用されており、すでに大量生産されている。Performance improvements due to the introduction of new materials are not limited to CPUs. A DRAM, which is a kind of memory, stores information by the amount of electric charge stored in a capacitor. However, in order to store more electric charge, a high-voltage such as tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) is used as a capacitor insulating film. k membranes have been applied and are already in mass production.
ところが、DRAMにおいても、さらなるhigh−k絶縁膜の薄膜化はリーク電流の増大を招くため、デバイスの性能劣化と信頼性低下の観点から許されなくなっている。また、DRAMでは、微細化によってキャパシタの面積を小さくすると、その容量が減ってしまうという問題もある。これまでは、キャパシタ構造を深いトレンチ型にするなどして面積の低下を防いできた。しかし、さらなる微細化を推進しようとすると、トレンチのアスペクト比が加工の限界に達し、最先端の加工技術を駆使しても歩留り良くデバイスを作ることができなくなるため、DRAMの材料的・構造的な限界が検討されている。 However, even in DRAMs, further thinning of the high-k insulating film causes an increase in leakage current, which is not allowed from the viewpoint of device performance deterioration and reliability reduction. In addition, in the DRAM, there is a problem that when the area of the capacitor is reduced by miniaturization, the capacity is reduced. Until now, the area has been prevented from decreasing by making the capacitor structure deep trench type. However, when further miniaturization is promoted, the aspect ratio of the trench reaches the limit of processing, and even with the most advanced processing technology, it becomes impossible to make a device with high yield. Limitations are being considered.
係る状況に鑑み、最近は、様々な新しいメモリ素子が提案されている。例えばカルコゲナイド材料を用いた相変化メモリ、スピンを利用したMRAM(Magnetic RAM)、有機分子の酸化・還元を利用した分子メモリ、RRAM(Resistance Random Access Memory)などを挙げることができる。これらのメモリがDRAMの代換技術になり得るかどうかは、現在のところ百家争鳴であるが、現在普及しているDRAMを置き換えるためには、単なる延長線上の技術では許されない。すなわち、現在のDRAMが有している高速読み出しメモリ特性に加えて、新たな付加価値が求められる。具体的には、電源を遮断してもメモリ特性を保持するという不揮発性が求められる。不揮発性RAMが実現すれば、例えばパーソナル・コンピュータの電源を投入した直後にOS(Operating System)を起動させることなどが可能になるため、消費者の使い勝手は格段に向上することになる。 In view of such a situation, various new memory devices have been proposed recently. For example, a phase change memory using a chalcogenide material, an MRAM (Magnetic RAM) using spin, a molecular memory using oxidation / reduction of organic molecules, an RRAM (Resistance Random Access Memory), and the like can be given. Whether these memories can be a replacement technology for DRAMs is currently a hundred-year-old controversy, but in order to replace the currently popular DRAMs, it is not possible to simply extend the technology. That is, in addition to the high-speed read memory characteristics of current DRAMs, new added value is required. Specifically, the non-volatility of maintaining the memory characteristics even when the power is shut off is required. If a non-volatile RAM is realized, for example, an OS (Operating System) can be started immediately after the personal computer is turned on, so that the convenience for consumers is greatly improved.
上記した数々の不揮発性RAM候補のうち、RRAMは、強相関電子系と呼ばれる物質を使っており、高速の読み書きが可能であることから、注目を集めているメモリ素子である。例えば特許文献1(米国特許第6,673,691B2号)には、Pr0.7Ca0.3MnO3層の上下にPt層を接触させた4元系ペロブスカイト構造に不揮発性メモリ特性が生じること、および電圧パルスの正負の符号を反転させることによってメモリの書き換えが出来ることが開示されている。また、この特許文献1には、RRAMを用いると、書き込み・消去にかかる時間がDRAMよりも短縮され、かつ不揮発性メモリとして十分な保持特性も得られることが開示されている。Of the many nonvolatile RAM candidates described above, the RRAM is a memory element that is attracting attention because it uses a substance called a strongly correlated electron system and can read and write at high speed. For example, in Patent Document 1 (US Pat. No. 6,673,691B2), a non-volatile memory characteristic occurs in a quaternary perovskite structure in which Pt layers are in contact with the upper and lower sides of a Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 layer. In addition, it is disclosed that the memory can be rewritten by inverting the sign of the voltage pulse. Further,
非特許文献1(Applied Physics Letters, (2004) pp.4073-4075)は、SrTiO3基板上にエピタキシャル成長させたSrRuO3下部電極上に、Pr0.7Ca0.3MnO3層をエピタキシャル成長させ、さらに上部電極をTiとした構造において、非線形の整流特性が得られること、およびヒシテリシスが表れることを報告している。一方、非特許文献2(Technical Digest of International Electron Device Meeting, (2004) pp.587-590)は、2元系遷移金属酸化物であるNiO層の上下に貴金属層を積層させた構造において、不揮発性メモリ特性が得られること、および正負の符号を反転させても対称な電流−電圧(I−V)特性が得られることを報告している。また、正電圧のみ、あるいは負電圧のみの単一の符号を有する電圧を印加した場合において、低電圧を印加するか高電圧を印加するかによって、素子の抵抗を高抵抗状態にしたり、低抵抗状態にしたりすることができることを報告している。
上述のように、強相関電子系材料をメモリ素子に応用しようという試みは、これまでに幾つか存在するものの、現在までのところ、DRAMのように、大規模に集積化して製品化する見通しが立っているとは言い難い。以下に、本発明者が検討した解決すべき課題を述べる。 As described above, there have been several attempts to apply strongly correlated electron materials to memory devices, but so far, there is a prospect that they will be integrated and commercialized on a large scale like DRAM. It's hard to say standing. The problems to be solved which the present inventors have studied are described below.
まず第一に、これまで報告されているRRAMは、メモリ動作の機構が明らかにされていない。本願発明者等は、先立ってRRAMについて検討を行った。特許文献1および非特許文献1で報告されたPr0.7Ca0.3MnO3という材料は、巨大磁気抵抗(Colossal Magneto Resistance; CMR)を示すことから、CMR材料とも呼ばれている。巨大磁気抵抗とは、磁場を印加した際に抵抗が大幅に下がる現象のことを指す。この負の磁気抵抗は、磁場を印加することによって、磁気的な散乱が抑制されるために生ずるものであると理解されている。ところが、このような現象は、少なくとも−50℃以下、典型的には−200℃程度以下でのみ出現する現象であり、室温で観測されているメモリ効果との関係は定かではない。First of all, the RRAM reported so far does not reveal the mechanism of memory operation. The inventors of the present application previously examined RRAM. The material of Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 reported in
非特許文献1が明らかにしたように、RRAMで観測されている抵抗値は、Pr0.7Ca0.3MnO3という材料そのものが本来有するバルクの抵抗値と比べて圧倒的に大きい。このことは、Pr0.7Ca0.3MnO3と電極との界面で大きな抵抗が生じており、RRAMの特性を決めていることを示唆している。しかし、特許文献1で公開されている構造、すなわち、Pr0.7Ca0.3MnO3の上下に同じ電極材料(Pt)を形成している場合では、上下の界面の性質が対称的であると考えられる。As disclosed in
ところが、対称的な構造を有する場合は、メモリ性が出てくることが理解できない。なぜならば、片方の界面に電圧をかけてその界面が低抵抗(または高抵抗)状態になったとすると、もう一方の界面は高抵抗(または低抵抗)状態になるからである。電圧の符号を変えても、一方の界面が高抵抗でもう一方が低抵抗であるという事情は変わらないはずであるから、メモリ性が出ることを説明できない。非特許文献1は、Pr0.7Ca0.3MnO3の上下の電極材料を変えた場合に、メモリ性が出現することを発見し、界面に生ずるショットキー障壁が変化しているのではないかと論じている。しかしながら、何故にショットキー障壁が変化したり、メモリ動作が観測されたりするのかは、学術的にも十分解明されていない。However, it cannot be understood that a memory property appears when a symmetrical structure is used. This is because if a voltage is applied to one interface and the interface becomes a low resistance (or high resistance) state, the other interface becomes a high resistance (or low resistance) state. Even if the sign of the voltage is changed, the fact that one interface has a high resistance and the other has a low resistance should not change, so that the memory performance cannot be explained.
メモリ動作の機構に関して、非特許文献2では、電圧を印加することで生じたフィラメント的なパーコレーション・パスの形成がメモリ動作と関連しているのではないかと論じている。しかし、仮にこのような伝導パスの形成がメモリの起源であるとするならば、デバイスは絶縁破壊を起こしかけており、長期信頼性のあるデバイスを歩留り良く大量生産することが困難であると考えられる。
Regarding the mechanism of the memory operation,
このように、メモリの動作機構が不明であると、メモリ構造の最適化やプロセス開発の指針が立たないという問題がある。加えて、観測されたメモリにスケーラビリティがあるのかどうかも判断できない。また、信頼性評価が困難であるという問題も生じる。 Thus, if the memory operating mechanism is unknown, there is a problem that guidelines for optimizing the memory structure and process development cannot be established. In addition, it cannot be determined whether the observed memory is scalable. Moreover, the problem that reliability evaluation is difficult also arises.
RRAMが有する第2の課題は、メモリ材料や電極材料が特殊であるために、シリコン・プロセスへの親和性が低いという点である。例えば、特許文献1や非特許文献1で開示されたPr0.7Ca0.3MnO3は、4つの元素が使われている4元系であるため、均一な膜を制御よく作ることが大変困難である。すなわち、組成が少しでも異なってしまうと、材料の抵抗値が大きく変化する物質群であることが知られており、歩留り良く多くのデバイスを作ることは困難である。加えて、Pr0.7Ca0.3MnO3に代表されるCMR材料は、ペロブスカイト構造と呼ばれる複雑な結晶構造を有している。このような複雑な結晶構造は、大量生産には不向きである。実際、非特許文献1で使われたエピタキシャル成長技術を使うためには、SrTiO3基板のような下地となる単結晶基板が必要であり、格子定数の大きく異なるシリコンを基板として用いることはできない。The second problem of the RRAM is that the affinity for the silicon process is low because the memory material and the electrode material are special. For example, Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 disclosed in
また、メモリ材料だけでなく電極材料も特殊であることが、シリコン・プロセスへの導入を困難にしている。特許文献1や非特許文献1で開示されたRRAMでは、Pt電極が使われているが、Ptは熱拡散速度が大きいために汚染源となり易く、シリコン・プロセスへの導入が容易ではない。RRAMのメモリ特性を得るためには、貴金属であることが望ましいとされているが、同様の理由で、Ptをはじめとする貴金属は何れもシリコン・プロセスに導入することが困難である。非特許文献2にも、NiOをメモリ材料として使う場合には、貴金属電極が望ましいことが記載されている。
In addition to the memory material, the electrode material is also special, which makes it difficult to introduce it into the silicon process. In the RRAM disclosed in
本発明の目的は、強相関電子材料を用いた不揮発性メモリ素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a nonvolatile memory element using a strongly correlated electronic material.
本発明の他の目的は、強相関電子材料を用いた不揮発性メモリ素子の製造技術を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a technique for manufacturing a nonvolatile memory element using a strongly correlated electronic material.
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
まず、本発明の第1の目的を達成するために、メモリ性の出現する原理について説明する。本発明の不揮発性RAMは、金属・絶縁体転移、またの名をモット転移と呼ばれる現象を利用しているので、まず、これについて簡単に説明する。 First, in order to achieve the first object of the present invention, the principle that the memory property appears will be described. Since the nonvolatile RAM of the present invention utilizes a phenomenon called metal-insulator transition or “Mott transition”, this will be briefly described first.
図1(a)〜(f)は、強相関電子系と呼ばれる一連の物質群の結晶構造を模式的に示したものである。原子サイト1が整然と並ぶことによって、結晶格子を組んでいる様子が示されている。ここでは、説明を簡単にするために、伝導に寄与する原子サイト1のみを示している。また、バンドの縮退効果などの説明も省略するが、バンド縮退がある場合への拡張は容易である。
1A to 1F schematically show the crystal structure of a series of substance groups called strongly correlated electron systems. A state in which the
電気抵抗の大小などの物性値を決めているのは、原子内に強く束縛された内殻電子ではなく、最外殻電子である。図1には、この最外殻電子のうち、上向きのスピンを有する電子2と下向きの電子を有する電子3とが示されている。図1(a)は、単位体積当たりの原子サイト1の数(Nsite)に対して、上向きのスピンを有する電子2と下向きの電子を有する電子3を合わせた単位体積当たりの電子の数(Nel)が圧倒的に少ない場合(Nsite>>Nel)を示している。この場合は、伝導に寄与するキャリアとなる電子の数が少ないために電気抵抗が高く、系はバンド絶縁体として振舞う。It is the outermost electrons, not the inner electrons that are strongly bound in the atoms, that determine the physical properties such as the magnitude of electrical resistance. FIG. 1 shows an
ここで、電子の数を増やして図1(b)の状態にすることを考える。伝導電子の数を変えることはドーピングとよばれるが、ドーピング方法としては、原子サイト1の一部を価数の異なる原子で置換する方法や、結晶の隙間に過剰の酸素を入れたり、酸素欠陥を入れたりするなどの方法が知られている。図1(b)の状態では、多くの電子が存在する(Nsite>Nel)ために電気抵抗が低くなり、系は金属として振舞う。Here, consider increasing the number of electrons to the state shown in FIG. Changing the number of conduction electrons is called doping. As a doping method, a method of substituting a part of the
ここで、さらに電子の数を増やして行き、図1(c)の状態にしたとする。図1(c)の状態では、原子サイト1の数と電子の数とが同程度(Nsite〜Nel)である。強相関電子系の特徴が最も良く表れるのは、この図1(c)の状態である。Here, it is assumed that the number of electrons is further increased and the state shown in FIG. In the state of FIG. 1C, the number of
同一の原子サイト1に、上向きのスピンを有する電子2と下向きの電子を有する電子3とが同時に入った状態を2重占有状態と呼ぶ。強相関電子系では、2重占有状態において、電子間に非常に強い電子間相互作用が働く。これは、強相関電子系の多くが遷移金属酸化物などであり、最外殻軌道がd電子またはf電子で構成されているので、電子の軌道が原子サイト1に強く束縛されているためである。
A state in which an
このような強いクーロン反発力の結果、電子はなるべく原子サイト1を2重占有しないように、お互いを避けあって動くようになる。原子サイト1の数と電子の数とが同程度である図1(c)の状態では、多くの電子の隣の原子サイト1がすでに別の電子によって占有されているために、動くことが困難である。ここで、パウリの排他率によって、同一のスピンを有する電子は同一の原子サイト1に絶対に入ることができないという制約がある。パウリの排他率に違反しないで動くためには、2重占有状態にしなければならないが、この場合は非常に強いクーロン相互作用が働いてエネルギー的に不利になるために、2重占有状態になる確率は小さい。結果として、電子の数は非常に多いにも係わらず、電子が動き回れないので電気抵抗が高く、系は絶縁体として振舞う。この状態は、古くから解析した物理学者モットにちなんで、モット絶縁体(Mott-insulator)と呼ばれている。このように、電子数の変化に伴い、金属になったり、絶縁体になったりする現象は、金属・絶縁体転移またはモット転移と呼ばれる。
As a result of such strong Coulomb repulsion, the electrons move away from each other so as not to occupy the
次に、図1(c)の状態からさらに電子の数を増やした図1(d)の状態を考える。この場合は、上向きのスピンを有する電子2あるいは下向きの電子を有する電子3の何れかが、ほぼすべての原子サイト1を占有しており、さらに過剰の電子が原子サイト1を2重に占有している。先に2重に占有している状態はエネルギーが高いと述べたが、過剰に電子が存在するために、エネルギーが高くても2重占有せざるを得ない。2重占有状態が少ない図1(d)の状態では系は、相変わらずモット絶縁体である。
Next, consider the state of FIG. 1D in which the number of electrons is further increased from the state of FIG. In this case, either the
ところが、電子の数がさらに多い図1(e)の状態では、多くの原子サイト1が2重占有状態になっており、一部の1重占有状態と共存している。この図1(e)の状態では、1重占有状態が隣接する原子サイト1に動いてもクーロン相互作用エネルギーは変化しない。言い換えれば、1重占有状態は、2重占有状態に対して逆向きのスピンを有するホールをドーピングしたことに相当し、そのホールが動き回ることができるようになる。その結果、図1(e)の状態は、ホールの数(Nhole)が多いため、抵抗が低い金属状態になる。ここで、電子の数がさらに多くなった図1(f)の状態を考えると、今度はすべての原子サイト1が2重占有されるため、ホールの数が少なく(Nsite>>Nhole)、系は抵抗の高いバンド絶縁体となる。However, in the state of FIG. 1 (e) where the number of electrons is further large, many
以上のように、図1(d)、(e)、(f)の状態で起こる金属・絶縁体転移は、図1(a)、(b)、(c)の状態で起こる金属・絶縁体転移と対称的である。これは、強相関電子系が本質的に有している電子・正孔の対称性を反映したものであり、極く一般的に成立する。実際の物質では、バンド構造が複雑であることを反映して電子とホールの有効質量が異なるなど、厳密には電子・ホールの対称性は成立しないが、少なくとも近似的には成立するため、金属になったり、絶縁体になったりするという定性的な対称性が成立する。 As described above, the metal-insulator transition that occurs in the states of FIGS. 1D, 1E, and 1F is the metal-insulator that occurs in the states of FIGS. 1A, 1B, and 1C. Symmetric with transition. This reflects the symmetry of electrons / holes inherently possessed by strongly correlated electron systems, and is generally established. Strictly speaking, the symmetry of electrons and holes does not hold, such as the effective masses of electrons and holes differ, reflecting the complexity of the band structure. The qualitative symmetry that it becomes or becomes an insulator is established.
本発明の不揮発性RAMは、上記した金属・絶縁体転移という原理を用いる。そのためには、まず、強相関電子系となる材料が必要であるのは言うまでもない。上述のように、強相関電子系は、電子間に働くクーロン相互作用の強い系で、遷移金属酸化物などのように、電子の最外殻軌道がd電子やf電子から構成されている物質である。 The nonvolatile RAM of the present invention uses the principle of metal-insulator transition described above. To that end, it is needless to say that a material that becomes a strongly correlated electron system is necessary. As described above, the strongly correlated electron system is a system having a strong Coulomb interaction between electrons, and a substance whose outermost orbital of electrons is composed of d electrons and f electrons, such as transition metal oxides. It is.
ここで、強相関電子系の定義に関して注意を述べる。電子間の強い相互作用が系全体の性質に大きな影響を及ぼすのは、図1(c)で示したように、電子の数(Nel)が原子サイト1の数(Nsite)と同程度(Nsite〜Nel)の場合である。電子の数が少ない場合には、お互いの電子が衝突する確率が小さいために、図1(a)や図1(b)の状態では、クーロン相互作用の影響はそれほど大きくない。そこで、図1(c)の状態近傍のモット絶縁体と金属のみを強相関電子系とみなすという分類も成立し得る。Here, attention is paid to the definition of strongly correlated electron systems. The strong interaction between electrons greatly affects the properties of the entire system, as shown in FIG. 1C, with the number of electrons (N el ) being the same as the number of atomic sites 1 (N site ). This is the case of (N site to N el ). When the number of electrons is small, the probability that the electrons collide with each other is small. Therefore, in the states of FIGS. 1A and 1B, the influence of the Coulomb interaction is not so large. Therefore, the classification that only the Mott insulator and the metal in the vicinity of the state of FIG.
しかしながら、原子サイト1内で2重占有した場合のクーロン相互作用が強い事情は電子の数とは無関係であるから、本発明では、電子の数が少ない図1(a)や図1(b)の状態も含めて強相関電子系と呼ぶことにする。例を挙げると、SrTiO3、HfO2、ZrO2、Ta2O5、TiO2などは通常の分類からするとバンド絶縁体に属するが、伝導性に重要となる最外殻軌道はd電子やf電子であり、電子の数は少なくても電子間に働くクーロン相互作用は強いため、強相関電子系である。NiO、V2O3などのモット絶縁体やそれらにキャリアをドーピングした金属が強相関電子系に属することは言うまでもない。However, the fact that the Coulomb interaction is strong when the
他方、強相関電子系でない材料とは、最外殻軌道がs電子やp電子によって構成される物質である場合が多く、例えばSiO2やAl2O3などを挙げることができる。最外殻電子の軌道がs電子やp電子によって構成される物質でも、例外的には強相関電子系となる材料も存在し、例えばBEDT−TTF(bis(ethylenedithio)tetrathiafulvalene)などのような有機分子結晶を挙げることができる。On the other hand, the material that is not a strongly correlated electron system is often a substance whose outer shell orbit is composed of s electrons and p electrons, and examples thereof include SiO 2 and Al 2 O 3 . Even if the outermost electron orbit is composed of s-electrons and p-electrons, there are exceptionally strongly correlated electron materials. For example, organic materials such as BEDT-TTF (bis (ethylenedithio) tetrathiafulvalene) Mention may be made of molecular crystals.
しかしながら、BEDT−TTFなどの有機分子結晶は、本発明の第2の課題であるシリコン・プロセスとの整合性を考えると、余り適切な材料であるとは言えない。総じて、強相関電子系である物質群の中には、電子の数に応じてモット絶縁体になるものもあれば、金属になるものもあり、さらにはバンド絶縁体になるものもある。強相関電子系を取り扱うモデルのひとつにハバード模型(Hubbard model)と呼ばれるものがあるが、このHubbard模型には、運動エネルギー(t)と相互作用エネルギー(U)という二つの重要なエネルギー・スケールが存在する。上述の強相関電子系とは、電子の数によらずに、運動エネルギー(t)に比べて相互作用エネルギー(U)が大きい系である。すなわち、強相関電子系とは電子間の相互作用が強い系として定義されるが、これは自然な定義である。 However, organic molecular crystals such as BEDT-TTF are not very suitable materials considering the consistency with the silicon process, which is the second problem of the present invention. In general, some material groups that are strongly correlated electron systems may be Mott insulators, some may be metals, and some may be band insulators depending on the number of electrons. One model that handles strongly correlated electron systems is called the Hubbard model, which has two important energy scales: kinetic energy (t) and interaction energy (U). Exists. The above-described strongly correlated electron system is a system having a larger interaction energy (U) than kinetic energy (t) regardless of the number of electrons. That is, a strongly correlated electron system is defined as a system with strong interaction between electrons, but this is a natural definition.
本発明の不揮発性RAMは、上記したような強相関電子系材料の薄膜を利用するが、この薄膜の一方の面に、この強相関電子系材料との電気的な接触が良好な電極材料を接合する。ここで、電気的に良好な接触とは、接触に伴って生ずる接触抵抗値が、良好でない接触に比べて小さいことを指している。望ましくは、強相関電子系材料と電極材料との間で線形なI−V特性が得られるオーミック接触とするが、厳密に線形でなくても差し支えない。良好な接触を取るためには、真空準位から測った強相関電子系材料の伝導帯または価電子帯までの値が、電極材料の仕事関数値に近い材料と組み合わせればよい。また、強相関電子系材料にドーピングを施すことによってフェルミ準位(Fermi level)を調整し、電極とのオーミック接続を取り易くすることも可能である。 The nonvolatile RAM of the present invention uses a thin film of a strongly correlated electron material as described above, and an electrode material having good electrical contact with the strongly correlated electron material is provided on one surface of the thin film. Join. Here, “electrically good contact” means that the contact resistance value that accompanies the contact is smaller than that of an unfavorable contact. Desirably, an ohmic contact that provides a linear IV characteristic between the strongly correlated electron system material and the electrode material is used, but it may not be strictly linear. In order to achieve good contact, the value from the vacuum level to the conduction band or valence band of the strongly correlated electron material may be combined with a material close to the work function value of the electrode material. It is also possible to adjust the Fermi level by doping a strongly correlated electron system material to facilitate ohmic connection with the electrode.
次に、強相関電子系材料の薄膜のもう一方の面に、強相関電子系材料との電気的な接触が良好でない電極材料を接合する。ここで、電気的に良好でない接触とは、接触抵抗値が、もう一方の面における良好な接触よりも大きいということ、あるいは良好でない電極材料との界面におけるI−V特性が非線形となる非オーミック接触になることを意味している。このような界面を形成するためには、真空準位から測った強相関電子系材料の伝導帯または価電子帯までの値が、電極材料の仕事関数値と一致しないように、材料の組み合わせを選べば良い。本発明の不揮発性RAMでは、このようにして形成した良好でない接触により、電極材料と強相関電子系材料との界面が、メモリ性の出現に重要な役割を担っている。 Next, an electrode material having poor electrical contact with the strongly correlated electron material is bonded to the other surface of the thin film of the strongly correlated electron material. Here, the electrically unsatisfactory contact means that the contact resistance value is larger than that of a good contact on the other surface, or that the IV characteristic at the interface with the unsatisfactory electrode material is non-ohmic. It means to be in contact. In order to form such an interface, the materials must be combined so that the value from the vacuum level to the conduction band or valence band of the strongly correlated electron system material does not match the work function value of the electrode material. Just choose. In the nonvolatile RAM of the present invention, due to the poor contact formed in this way, the interface between the electrode material and the strongly correlated electron material plays an important role in the appearance of memory properties.
このように、本発明の不揮発性RAMは、強相関電子系材料からなる薄膜の一方の面に電気的な接触が良好な電極を接続し、もう一方の面に電気的な接触が良好でない電極を接続するMIM(Metal-Insulator-Metal)構造をとる。ここで、MIMと記載したが、上述のように強相関電子系材料の薄膜は、ドーピングが施された材料であっても差し支えないため、必ずしも絶縁体とは限らない。強相関電子系材料として、バンド絶縁体またはモット絶縁体を用いた場合には、絶縁体であることは言うまでもない。 Thus, the nonvolatile RAM of the present invention has an electrode having good electrical contact connected to one surface of a thin film made of a strongly correlated electron material, and an electrode having poor electrical contact to the other surface. An MIM (Metal-Insulator-Metal) structure is used to connect the two. Although described as MIM here, the thin film of the strongly correlated electron material may be a doped material as described above, and thus is not necessarily an insulator. Needless to say, when a band insulator or a Mott insulator is used as the strongly correlated electron material, it is an insulator.
次に、このような構造でメモリ性が出現する原理について説明する。図2には、強相関電子系材料とこれに対して良好でない接触をとる電極を接続する前の状態が示されている。図2(a)は、用意した強相関電子系材料と電極との界面におけるエネルギーと電子密度との関係を示している。図2(a)に示したのは、強相関電子系材料として、電子密度=0.5付近となるようにバンド絶縁体にキャリアとして電子がドーピングされた状態である。説明が明示的になるように、電子をドーピングした場合で説明するが、ホールをドーピングした場合にも同様の議論が成立することは言うまでもない。この場合、電子密度=0.5付近にエネルギーが最小値となる安定状態4が存在する。
Next, the principle that memory performance appears in such a structure will be described. FIG. 2 shows a state before connecting a strongly correlated electron material and an electrode that makes poor contact with the material. FIG. 2A shows the relationship between energy and electron density at the interface between the prepared strongly correlated electron material and the electrode. FIG. 2A shows a state in which electrons are doped as carriers in the band insulator so that the electron density is around 0.5 as a strongly correlated electron material. For the sake of clarity, the description will be given in the case of doping with electrons, but it goes without saying that the same argument holds even when holes are doped. In this case, there is a
図2(b)には、強相関電子系材料5とこれに対して良好でない接触をとる電極6とを接触させる前のバンド・ダイヤグラムが示されている。良好でない接触をとる電極6のフェルミ準位(EF)が、強相関電子系材料5の価電子帯(EV)とも伝導帯(EC)とも隣接していないことが重要である。FIG. 2B shows a band diagram before the strongly correlated
図3には、強相関電子系材料5とこれに対して良好でない接触をとる電極6とを接触する前の界面付近での状態密度が示されている。良好でない接触を実現するためには、接触前の両者のフェルミ準位が、一致していないことが重要である。より正確な表現をすると、接触前の仕事関数の値が一致していないことが要求される。
FIG. 3 shows the density of states in the vicinity of the interface before the strongly correlated
次に、強相関電子系材料5に対して良好でない接触をとる電極6を接触させた状態について図4を用いて説明する。図4(a)には、接触させた場合のエネルギーと電子密度との関係を示している。接触に伴い、後述のように帯電エネルギーが発生するため、電子密度=0.5よりも若干小さい密度で安定となる安定状態4が存在する。
Next, the state in which the
図4(b)は、接合させた界面付近にショットキー障壁7が発生していることを示している。これは、接触前の強相関電子系材料5と良好でない接触をとる電極6との仕事関数が一致していなかったことを反映している。より一般的には、接触させた界面で化学反応が生じることが多いため、ショットキー障壁7の高さは、単純に仕事関数から予想される値とずれを生じる場合があることが知られている。例えば、界面で化学的な反応が起こり、界面付近のフェルミ準位(EF)が実効的に変化するフェルミ・レベル・ピンニング(Fermi Level Pinning)という現象が生じることがある。FIG. 4B shows that a
しかしながら、界面反応も考慮して最終的に実験で観測されるショットキー障壁7の値を考慮してデバイス設計をすれば全く問題ない。図4(b)のように接触させたことに伴い、強相関電子系材料5に存在していた電子の一部は、より低いエネルギー準位を有している良好でない接触をとる電極6に流入する。その結果、強相関電子系材料5側の界面は正に帯電し、良好でない接触をとる電極6の界面は負に帯電する。この状態における界面付近の状態密度を示したのが図5である。統計力学の原理に基づき、強相関電子系材料5のフェルミ準位(EF)と電極6のフェルミ準位(EF)とは一致している。これは、接触していると電子のやりとりが可能になるため、接触している両者の化学ポテンシャルが等しくなるためである。However, there is no problem if the device is designed in consideration of the value of the
なお、本発明ではフェルミ準位と化学ポテンシャルとを同じ意味として扱っている。本発明のデバイスは室温で動作するため、フェルミ準位という言葉を使うよりは化学ポテンシャルという言葉を使った方が学術的には正確であるが、慣例に倣ってフェルミ準位という言葉を多用することにする。また、電圧を印加した場合については、フェルミ準位や化学ポテンシャルという言葉を使わずに、電気化学ポテンシャルという言葉を使う場合もあるが、本発明ではこれらを区別しないこととする。 In the present invention, the Fermi level and the chemical potential are treated as the same meaning. Because the device of the present invention operates at room temperature, it is more scientifically accurate to use the term chemical potential than to use the term Fermi level, but the term Fermi level is often used following convention. I will decide. In addition, when a voltage is applied, the term “electrochemical potential” is sometimes used without using the term “Fermi level” or “chemical potential”, but these are not distinguished in the present invention.
電圧を印加していない図5の状態では、両者のフェルミ準位(EF)が一致しており、界面ではショットキー障壁7が形成されるため、結果として、強相関電子系材料5内のバンドが緩やかに変形することになる。この界面に垂直に電流を流す場合には、電子をショットキー障壁7を量子力学的なトンネル効果によって通過させなければならない。図5のような状態では、ショットキー障壁7の幅が大きいため、トンネル効果は発生しにくい。これは、トンネル効果がトンネルする距離の指数関数に依存して生じにくくなることを反映している。従って、図5の状態では、界面の接触抵抗値が大きい高抵抗状態が実現している。In the state of FIG. 5 in which no voltage is applied, the Fermi levels (E F ) of both coincide with each other, and the
ここで、接触に伴う界面付近のエネルギー変化について図6を用いて説明する。強相関電子系のエネルギーに加えて、界面付近では帯電効果による帯電エネルギーが存在する。これは、界面では、良好でない接触をとる電極6のフェルミ準位が強相関電子系材料5の伝導帯と一致していないため、外界から電位差を与えていなくとも、実効的に電圧が印加されていることに相当するからである。古典電磁気学によると、単位体積当たりの容量Cは、強相関電子系材料の比誘電率をk、真空の比誘電率をe0、ショットキー障壁の厚さをdとした場合に、C=k*e0/dで与えられる。また、ショットキー障壁に蓄えられる電荷をQとした場合に、帯電エネルギー(Echarge)は、Echarge=Q^2/(2*C)で与えられる。従って、ショットキー障壁を介してより多くの電荷Qが蓄えられるためには、強相関電子系材料の比誘電率(k)が大きく、ショットキー障壁の厚さ(d)が薄いことが望ましい。Here, the energy change near the interface accompanying the contact will be described with reference to FIG. In addition to the energy of the strongly correlated electron system, there is charging energy due to the charging effect near the interface. This is because, at the interface, the Fermi level of the
このようにして計算される帯電エネルギーを考慮すると、界面付近の全エネルギーは、図6に示すように、2重井戸型となる。このうち、エネルギーの最も低い状態が安定状態4であり、局所的な極小値をとる状態が準安定状態8である。上述のように安定状態4は、高抵抗状態である。一方、以下に示すように、準安定状態8は低抵抗状態となる。ここで、図6に示した例では電子密度=1.2付近に実現する状態を準安定状態8と述べたが、この状態は、本発明に基づく不揮発性RAMを使用する上では、極めて安定な状態として機能する。確かに、エネルギー的には、最安定な状態である安定状態4と比べてエネルギーは高い。しかしながら、一度、界面付近の電子状態がこの状態になると、系は原子サイト1当たり、0.5〜数eVもの膨大なエネルギー障壁に守られているので、極めて安定なメモリ保持特性が得られる。
Considering the charging energy calculated in this way, the total energy in the vicinity of the interface is a double well type as shown in FIG. Among these, the state with the lowest energy is the
このように、準安定状態8は、局所的に極小値を持った状態であるため、外界から外乱要因となる摂動が加わった場合にも、自動的に準安定状態8が保持されるようになる。例えば、界面に保持された電子の一部が失われた場合にも、系は熱力学的に安定な状態を保とうとするために、再び近隣の電子を束縛し、準安定状態8に戻るように自動的に修復する。このように、安定状態4と準安定状態8とが実現するような系は、不揮発性メモリとして使う場合に極めて安定的に使えることが判る。
Thus, since the
次に、強相関電子系材料をメモリ素子として動作させるための原理について説明する。メモリ素子として動作させるためには、安定状態4から準安定状態8へ、またはその逆に、準安定状態8から安定状態4へと切り替えることが必要である。この切り替え方法について説明する。
Next, the principle for operating a strongly correlated electron material as a memory element will be described. In order to operate as a memory element, it is necessary to switch from the
図7は、強相関電子系材料5の一方の界面に接触した良好な接触をとる電極(図示せず)を基準として、もう一方の界面に接触した良好でない接触をとる電極6に+4Vの電圧を印加した場合の界面でのエネルギーの様子(a)とバンド・ダイヤグラム(b)とを示している。この場合、ショットキー障壁7を介して、強相関電子系材料5側は負の電荷を持つように帯電し、良好でない接触をとる電極6側は正の電荷を持つように帯電する。その結果、図7(a)に示すように、電子密度=1.7>1.0付近でエネルギーが最小値4となる点が存在する。これは、強相関電子系でとりうる図1の状態(a)〜(f)のうち、(e)の状態に相当する。一旦この状態にした後、電圧を印加しない0Vの状態にすると、系は、図4のエネルギー状態のうち準安定状態8で安定化することになる。
FIG. 7 shows a voltage of + 4V applied to the
次に、図6に示したエネルギー状態のうち、準安定状態8から安定状態4へと変化させる方法について述べる。図8に示すように、今度は、強相関電子系材料5の一方の界面に接触した良好な接触をとる電極(図示せず)を基準として、もう一方の界面に接触した良好でない接触をとる電極6に逆符号となる−2Vの電圧を印加する。その場合の界面でのエネルギーの様子を図8(a)に示し、バンド・ダイヤグラムを図8(b)に示す。
Next, a method of changing from the
この場合、ショットキー障壁7を介して、強相関電子系材料5側は、負の電荷を持つように帯電し、良好でない接触をとる電極6側は、正の電荷を持つように帯電する。その結果、図8(a)に示すように、電子密度=0.4<1.0付近でエネルギーが最小値4となる。一旦、この状態にした後、電圧を印加しない0Vの状態にすると、系は、図6に示したエネルギー状態のうち、安定状態4で安定化することになる。これは、強相関電子系でとりうる図1の状態(a)〜(f)のうち、(b)の状態に相当する。安定状態4が準安定状態8よりも低いエネルギーを有していることを反映して、準安定状態8から安定状態4に戻すためには、印加する電圧の絶対値をより小さく設定することで可能となる。このようにして、電極に正負の電圧を印加することによって、図1(b)の状態と図1(e)の状態とを相互に切り替えることが可能であることが判る。
In this case, the strongly correlated
次に、このようにして切り替えた状態をどのようにして読み出すかについて述べる。そのために、準安定状態8についてもう少し説明を加える。図9は、界面の状態が準安定状態8になった場合の(a)界面のエネルギー、(b)バンド・ダイヤグラムを示し、図10は、このときの界面付近の状態密度を示している。
Next, how to read out the state thus switched will be described. Therefore, a little more explanation about the
図9(b)では、ショットキー障壁7を介して、強相関電子系材料5内の価電子帯のバンドが大きく曲がっていることが判る。これは、図10に示したように、強相関電子系特有の強いクーロン相互作用によって、価電子帯がlower Hubbard bandと呼ばれる状態とupper Hubbard bandと呼ばれる状態とに分裂することを反映している。その結果、図9(b)に示された状態では、ショットキー障壁7の幅が狭くなっており、ショットキー障壁7を流れるトンネル電流は格段に流れやすくなる。従って、準安定状態8は、界面で生じる界面抵抗の値が小さくなっている。このような状態を実現するためには、ショットキー障壁7を介して、多量の電荷を静電的に蓄えなければならない。従って、強相関電子系材料5の比誘電率は大きいこと(好ましくは20以上)が望ましい。
In FIG. 9B, it can be seen that the band of the valence band in the strongly correlated
しかしながら、通常のhigh−k材料と異なる点は、強相関電子系材料5内で電荷の出し入れをするために、強相関電子系材料5の一方の界面は、電極と電気的に良好な接触をする必要がある。従って、少なくとも一方の電極とはバンド・オフセットを小さくする必要がある。これは、通常のhigh−k材料探索指針とは全く逆である。通常のhigh−k膜の用途ではリーク電流を小さくする必要があるため、バンド・オフセットはできるだけ大きくとるように材料を組み合わせる。このように、本発明では、従来のMIM構造の使われ方とは全く逆の指針を用いて、デバイスを作製する必要があることが判る。
However, the difference from a normal high-k material is that charges are taken in and out in the strongly correlated
以上の説明から分かるように、安定状態4が実現しているか、それとも準安定状態8が実現しているかを読み出すには、単に界面抵抗値の違いを読み出せばよい。すなわち、安定状態4が実現している場合には、ショットキー障壁7の幅が広いために、界面抵抗値が大きい。従って、界面に電圧を印加した場合に流れる電流は小さい。一方、準安定状態8が実現している場合には、ショットキー障壁7の幅が狭いために、界面抵抗値は小さい。従って、界面に電圧を印加した場合に流れる電流は小さい。
As can be seen from the above description, in order to read out whether the
ここで、界面抵抗値の大小で区別できると説明したが、上でも注意したように、流れる電流が非線形の場合は、単純に抵抗値を定義し難い。しかし、その場合においても、電圧を印加した場合の電流値の大小は区別可能である。従って、以下、電流電圧特性が非線形の場合も含めて、同じ電圧を印加した場合に流れる電流が大きい(または小さい)ということを、単純に界面抵抗値が大きい(または小さい)と述べることにする。また、メモリ状態の読み出しの際に印加する電圧は、書き換えの際に印加する電圧に比べて小さいことは言うまでもない。小さい電圧を印加した場合には、安定状態4も準安定状態8も変化することはないため、メモリ状態を撹乱することなく読み出すことが可能である。このように、本発明の強相関電子メモリは、デバイスの動作原理が明確である。
Here, it has been described that the interface resistance value can be distinguished by the magnitude of the interface resistance value. However, as noted above, when the flowing current is non-linear, it is difficult to simply define the resistance value. However, even in that case, the magnitude of the current value when the voltage is applied can be distinguished. Therefore, hereinafter, the fact that the current that flows when the same voltage is applied, including the case where the current-voltage characteristics are nonlinear, will simply be described as having a large (or small) interface resistance value. . Needless to say, the voltage applied at the time of reading the memory state is smaller than the voltage applied at the time of rewriting. When a small voltage is applied, neither the
次に、本発明の第2の目的である、既存のシリコンプロセスを用いて容易に形成可能な抵抗値可変型メモリ並びにその製造方法について述べる。 Next, a variable resistance memory that can be easily formed using an existing silicon process and a manufacturing method thereof, which are the second object of the present invention, will be described.
上述のデバイスの動作原理に基づけば、既存のシリコンプロセスですでに使われている材料、または容易に導入可能な材料を用いて抵抗値可変型メモリを製造することが可能である。強相関電子系材料としては、d電子またはf電子を含む材料であって、かつシリコンプロセスで使いやすいものを用いれば良い。例えば、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、Ti2O3、HfO2、ZrO2、V2O3、VO2、WO3などの遷移金属酸化物または酸窒化物や、酸素と遷移金属との混合比が整数でないTaOx、NbOx、TiOx、NiOx、CoOx、MnOx、CrOx、CuOxなどの材料(xは形式価数で非整数値を取りうる)、またはこれらにドーピングを施した材料を用いれば良い。Based on the operation principle of the device described above, it is possible to manufacture a variable resistance memory using a material already used in an existing silicon process or a material that can be easily introduced. As the strongly correlated electron material, a material containing d electrons or f electrons and easy to use in the silicon process may be used. For example, transition metal oxides or oxynitrides such as Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , TiO 2 , Ti 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , V 2 O 3 , VO 2 , WO 3 , oxygen and Materials such as TaO x , NbO x , TiO x , NiO x , CoO x , MnO x , CrO x , and CuO x whose mixing ratio with the transition metal is not an integer (x can take a non-integer value with a formal valence), Alternatively, a material obtained by doping them may be used.
ドーピングを施すことは、強相関電子系材料のフェルミ準位を調整することに相当し、電極との電気的接触を調整する役割がある。例えばV2O3、に対し、Vと価数の異なるCrやTiを添加することができることは、バルク状態で良く知られているが、本発明の強相関電子メモリにおいて、薄膜状態でも適用することができる。また、Ta2O5に対してNbを添加することで、格子定数の値を変化させ、比誘電率を大きくすることがキャパシタ応用技術として知られているが、この技術は、本発明の強相関電子メモリにも応用することができる。Doping is equivalent to adjusting the Fermi level of the strongly correlated electron system material and has a role of adjusting electrical contact with the electrode. For example, the fact that Cr or Ti having a valence different from V can be added to V 2 O 3 is well known in the bulk state, but in the strongly correlated electronic memory of the present invention, it is also applied in the thin film state. be able to. In addition, it is known as a capacitor application technique that the value of the lattice constant is changed and the relative dielectric constant is increased by adding Nb to Ta 2 O 5 . It can also be applied to correlated electronic memories.
また、Ta2O5に対して価数の異なるWとTaを置換することによって、キャリア・ドーピングも可能である。TiO2については、酸素の価数を変えることによって、バンド絶縁体であるTiO2からモット絶縁体であるTi2O3まで変化させることが可能である。これは、Ti2O3を形式的にTiO1.5と表示すれば、酸素の形式価数を1.5から2.0まで変化させることに相当する。1.5から2.0までの中間の値に調整すれば、フェルミ準位を調整することが可能である。このような調整は、シリコンプロセスを用いれば、成膜後の酸素雰囲気でのアニールによって容易に調整可能である。加えてTiOxに対してVなどを添加することによって、さらにドーピングの制御をすることも可能である。Also, carrier doping is possible by replacing W and Ta having different valences with respect to Ta 2 O 5 . TiO 2 can be changed from TiO 2 which is a band insulator to Ti 2 O 3 which is a Mott insulator by changing the valence of oxygen. This corresponds to changing the formal valence of oxygen from 1.5 to 2.0 if Ti 2 O 3 is formally expressed as TiO 1.5 . The Fermi level can be adjusted by adjusting to an intermediate value from 1.5 to 2.0. Such adjustment can be easily adjusted by annealing in an oxygen atmosphere after film formation using a silicon process. In addition, doping can be further controlled by adding V or the like to TiO x .
なお、本発明に基づく強相関電子メモリにおいては、メモリ性を担っているのが、電極との界面のみであるため、強相関電子系材料5の結晶状態には依存しない。従って、エピタキシャル成長技術を用いて単結晶を成長させる必要がないため、下地の基板を選択する必要がなくなる。従って、シリコンプロセスにおける配線工程で作製することも可能である。実際に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法やスパッタリング法などで強相関電子系材料5の薄膜を形成すると、アモルファス状態、または材料の一部が結晶化した多結晶状態になることが多いことが確認されている。このように。薄膜状態で強相関電子系材料5を用いると、バルクの単結晶状態では不安定な組成や構造でも、薄膜状態では実現できる場合があり、強相関電子メモリのデバイス特性を向上させることができる。
In the strongly correlated electronic memory according to the present invention, only the interface with the electrode has a memory property, and therefore does not depend on the crystal state of the strongly correlated
これらの強相関電子系材料に対して、既存のシリコンプロセスで作製可能な電極材料を用い、電気的に良好な接触をとる電極材料と、電気的に良好でない接触をとる電極材料とを接触させる。そのためには、仕事関数の大きい材料と小さい材料とを組み合わせれば良い。良好な接触をとる電極材料としては、例えばTi、n型不純物が高濃度にドーピングされた多結晶シリコン、TiN、Alなどを挙げることができる。また、良好でない接触をとる電極材料としては、W、NiSi、CoSi、p型不純物が高濃度にドーピングされた多結晶シリコンなどを挙げることができる。 Using these electrode materials that can be produced by an existing silicon process, an electrode material that makes good electrical contact and an electrode material that makes poor electrical contact are brought into contact with these strongly correlated electron materials. . For that purpose, a material having a large work function and a material having a small work function may be combined. Examples of the electrode material that makes good contact include Ti, polycrystalline silicon doped with n-type impurities at a high concentration, TiN, and Al. Examples of the electrode material that makes poor contact include W, NiSi, CoSi, and polycrystalline silicon doped with a high concentration of p-type impurities.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
本願の一発明に基づく強相関電子メモリを用いれば、デバイスの動作原理が明確であるため、容易に最適な材料設計が可能な抵抗値可変型の不揮発性RAMを提供できる。 If the strongly correlated electronic memory based on one invention of this application is used, since the operation principle of the device is clear, a variable resistance nonvolatile RAM capable of easily designing an optimum material can be provided.
また、本願の一発明に基づく強相関電子メモリは、その原理的な構成から、エネルギーの双安定性を利用しているため、きわめて安定かつ高信頼なデバイス特性が得られる。その結果、今後、シリコン・デバイスのスケーリングを進めていったとしても、産業界の要請を満足する信頼性が期待できる。 In addition, the strongly correlated electronic memory according to one invention of the present application utilizes the bistability of energy because of its fundamental configuration, and thus extremely stable and highly reliable device characteristics can be obtained. As a result, even if silicon devices are scaled in the future, reliability that satisfies the demands of the industry can be expected.
また、本願の一発明に基づく強相関電子メモリは、既存のシリコン・プロセスで使われている装置を用いて作製が可能であり、かつ金属汚染などの新たな問題も発生しない。すなわち、既存の設備を用いて大量生産が可能であり、新たな設備投資などが不要である。 In addition, the strongly correlated electronic memory according to the invention of the present application can be manufactured using an apparatus used in an existing silicon process, and a new problem such as metal contamination does not occur. That is, mass production is possible using existing equipment, and no new capital investment is required.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
(実施の形態1)
図11〜図17を用いて、本実施の形態による強相関電子メモリの製造方法を工程順に説明する。まず、図11に示すように、面方位(100)の単結晶シリコンよりなるp型の半導体基板(以下、基板という)9を用意する。基板9としては、単結晶シリコン基板以外の半導体基板、例えばSOI基板(Silicon On Insulator)、単結晶Ge基板、GOI基板(Ge On Insulator)、結晶に歪み応力を加えた歪みシリコン基板などを用いても差し支えない。(Embodiment 1)
The manufacturing method of the strongly correlated electronic memory according to the present embodiment will be described in the order of steps with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 11, a p-type semiconductor substrate (hereinafter referred to as a substrate) 9 made of single crystal silicon having a plane orientation (100) is prepared. As the substrate 9, a semiconductor substrate other than the single crystal silicon substrate, for example, an SOI substrate (Silicon On Insulator), a single crystal Ge substrate, a GOI substrate (Ge On Insulator), a strained silicon substrate in which strain stress is applied to the crystal, or the like is used. There is no problem.
次に、窒化シリコン膜をマスクとして用いたドライエッチングによって基板9に開口を施した後、この開口内に酸化シリコン膜を埋め込む。続いて、化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing、CMP)法によって基板9の表面を平坦化し、STI(Shallow Trench Isolation)部24を形成することにより、トランジスタが形成される活性領域を画定する。
Next, after opening the substrate 9 by dry etching using the silicon nitride film as a mask, a silicon oxide film is embedded in the opening. Subsequently, the surface of the substrate 9 is planarized by a chemical mechanical polishing (CMP) method, and an STI (Shallow Trench Isolation)
次に、基板濃度調整用のイオン注入と引き延ばし熱処理、およびしきい値電圧調整用のイオン注入と活性化熱処理を行う。続いて、基板9の表面を希釈フッ酸水溶液によって洗浄した後、熱酸化処理を行うことにより、膜厚3nm程度の酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜10を形成する。ゲート絶縁膜10としては、酸化シリコン膜以外の絶縁膜、例えば表面付近を窒化処理した酸窒化シリコン膜(SiON膜)や種々の金属を酸化または窒化処理したhigh−k膜、あるいはこれらの積層膜などを用いても差し支えない。
Next, ion implantation for substrate concentration adjustment and stretching heat treatment, and ion implantation for threshold voltage adjustment and activation heat treatment are performed. Subsequently, after cleaning the surface of the substrate 9 with a dilute hydrofluoric acid aqueous solution, a thermal oxidation process is performed to form a
次に、ゲート絶縁膜10上にCVD法で多結晶シリコン膜11aを堆積する。多結晶シリコン膜11aは、ゲート電極材料となるものであり、その膜厚は、70nm程度とする。ゲート電極材料としては、多結晶シリコン膜11aの他、シリサイド膜や金属膜などを用いても差し支えない。
Next, a
次に、多結晶シリコン膜11a上にCVD法で膜厚10nm程度の酸化シリコン膜(図示せず)を堆積した後、多結晶シリコン膜11aの導電型をn型にするために、リンまたはヒ素をイオン注入する。続いて、950℃の窒素雰囲気中で不純物イオンの引き延ばしおよび活性化のための熱処理を30秒程度行うことにより、多結晶シリコン膜11aの不純物濃度を2×1020cm−3程度にする。次に、フッ酸水溶液を用いて酸化シリコン膜を除去する。Next, after depositing a silicon oxide film (not shown) having a thickness of about 10 nm on the
次に、図12に示すように、フォトレジスト膜をマスクに用いたドライエッチングで多結晶シリコン膜11aをパターニングすることにより、ゲート電極11を形成する。次に、基板9にリンまたはヒ素をイオン注入して浅いn−型拡散層12を形成した後、基板1にホウ素をイオン注入することにより、浅いn−型拡散層12を囲むように、パンチスルー防止用のp型拡散層13を形成する。Next, as shown in FIG. 12, the
次に、図13に示すように、基板9上に堆積した酸化シリコン膜を異方性エッチングすることにより、ゲート電極11の側壁にサイドウォールスペーサ14を形成する。酸化シリコン膜は、プラズマ補助堆積法(成膜温度=400℃)により堆積し、その膜厚は50nmとする。次に、基板9にヒ素をイオン注入した後、1000℃の活性化熱処理を行うことにより、ソース、ドレイン用の高濃度n+拡散層15を形成する。Next, as shown in FIG. 13,
次に、図14に示すように、基板9上にスパッタリング法でNi膜を堆積し、続いて熱処理によってシリコン(ゲート電極11および基板9)とNi膜とを反応させた後、未反応のNi膜をウェットエッチングで除去することにより、ゲート電極11の表面とn+拡散層15の表面とにNiシリサイド層16を形成する。シリサイド層の金属材料としては、Coなどを使用することもできる。ここまでの工程により、nチャネル型のメモリセル選択用MISFETが完成する。Next, as shown in FIG. 14, a Ni film is deposited on the substrate 9 by a sputtering method, and subsequently silicon (
なお、本実施の形態では、メモリセル選択用MISFETをnチャネル型MISFETで構成したが、上記したプロセスにおいて、不純物の導電型をp型に変更することにより、pチャネル型MISFETを形成することもできる。このように、同一の基板にnチャネル型MISFETとpチャネル型MISFETとを形成することにより、CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)回路を形成できるため、より低い消費電力で複雑な回路動作を行うことができる。 In the present embodiment, the memory cell selection MISFET is an n-channel MISFET. However, in the above-described process, the p-channel MISFET may be formed by changing the impurity conductivity type to the p-type. it can. As described above, a CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) circuit can be formed by forming an n-channel type MISFET and a p-channel type MISFET on the same substrate, so that a complicated circuit operation is performed with lower power consumption. be able to.
また、本実施の形態では、メモリセル選択用MISFETのゲート電極11を多結晶シリコン膜11aとNiシリサイド層16との積層膜で構成したが、多結晶シリコン膜11a上にバリアメタル膜としてWN(タングステンナイトライド)膜を積層し、さらにその上部にW(タングステン)膜を積層したポリメタル構造のゲート電極を形成することもできる。さらに、低融点金属材料を用いたダミーゲートプロセスによってゲート電極を形成することもできる。ダミーゲートプロセスでは、まずゲート絶縁膜上に堆積したダミーゲート用の電極材料(多結晶シリコン膜など)を加工してダミーゲート電極を形成し、続いてソース拡散層およびドレイン拡散層を形成した後、ゲート絶縁膜およびダミーゲート電極を除去する。次に、ゲート絶縁膜を再度形成し、続いてその上部にゲート用の低融点金属膜を堆積した後、この低融点金属膜を加工してゲート電極を形成する。このダミーゲートプロセスを用いた場合は、結晶化温度の低いhigh−k材料を用いてゲート絶縁膜を形成することもできる。このように、メモリセル選択用MISFETの形成方法は多岐に及んでいるが、本発明の強相関電子メモリを駆動させるためには、何れの方法を用いて作製したトランジスタを使っても差し支えないので、ダミーゲートプロセスの詳細については、説明を省略する。
In this embodiment, the
次に、図15に示すように、基板9上にCVD法で厚い酸化シリコン膜17を堆積し、続いてその表面を化学的機械研磨法で平坦化した後、ゲート電極11およびn+拡散層15(ソース、ドレイン)のそれぞれの上部の酸化シリコン膜17にコンタクトホール18を形成し、コンタクトホール18の内部にプラグ19を形成する。プラグ19は、例えばTiN膜とW膜との積層膜で構成する。本実施の形態では、プラグ19の主要部を構成するW膜が、前述した強相関電子系材料5に対して良好でない接触をとる電極6として機能する。Next, as shown in FIG. 15, a thick
次に、図16に示すように、酸化シリコン膜17の上部に、強相関電子系材料として、膜厚2nm程度の五酸化タンタル(Ta2O5)膜20を堆積する。五酸化タンタル膜20は、例えばペンタエトキシタンタル(Ta(C2H5O)5)を含むガスを原料ガスとし、550℃以下の減圧状態(例えば400mTorr)で成膜を行う熱CVD法によって堆積する。また、ペンタエトキシタンタルと酸化剤(例えばH2O)を交互に供給する原子層CVD法によって堆積することもできる。五酸化タンタル膜20中には、Wなどのような価数の異なる遷移金属材料をドーピングしても差し支えない。Wをドーピングしておくと、キャリアとして電子がドーピングされ、五酸化タンタルのフェルミ準位が上昇するので、電気的に良好な接触をとる電極との接触抵抗値を低下させることができる。また、五酸化タンタル膜20の膜厚を2nm程度と比較的薄くしたが、これは、前述したように、強相関電子メモリの特性は、強相関電子系材料と電極との界面で決まるためである。Next, as shown in FIG. 16, a tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 )
次に、五酸化タンタル膜20上にCVD法で膜厚50nm程度の多結晶シリコン膜21aを堆積する。多結晶シリコン膜21aは、成膜中にリンをドーピングすることによって、その導電型をn型にする。多結晶シリコン膜21aは、五酸化タンタル膜20に対して電気的に良好な接触をとる電極材料である。この種の電極材料としては、Tiのような仕事関数の小さい材料を用いることもできるが、シリコンプロセスとの整合性という観点からは、多結晶シリコンを使うことが望ましい。特に、五酸化タンタルの価電子帯は、シリコンの価電子帯の近くにあるので、五酸化タンタルとn型多結晶シリコンとを接触させると、比較的良好な電気的接触が得られる。このような材料の組み合わせは、MIMのキャパシタをつくる上ではリーク電流が増大するために非常識であるが、本発明の強相関電子メモリを実現する上では、逆に望ましい組み合わせとなる。
Next, a
次に、図17に示すように、フォトレジスト膜をマスクに用いたドライエッチングで多結晶シリコン膜21aと五酸化タンタル膜20とをパターニングすることにより、n+拡散層15(ドレイン)に接続されたプラグ19の上部に、五酸化タンタル膜20に対して電気的に良好な接触をとる電極21を形成する。Next, as shown in FIG. 17, the
強相関電子メモリの特性は、強相関電子系材料と電極との界面で決まるため、五酸化タンタル膜20は必ずしもパターニングしなくてよいが、五酸化タンタル膜20の膜厚が2nm程度と薄いため、多結晶シリコン膜21aをパターニングすると、通常は五酸化タンタル膜20も同時にパターニングされる。また、多結晶シリコン膜21aをパターニングして電極21を形成する際は、微細加工によるプラグ19との合わせずれを回避するために、電極21の幅をプラグ19の径よりも大きくする。
Since the characteristics of the strongly correlated electron memory are determined by the interface between the strongly correlated electron material and the electrode, the
図示は省略するが、その後、電極21の上部にCVD法で酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜を堆積し、続いて電極21の上部の層間絶縁膜をエッチングしてスルーホールを形成した後、層間絶縁膜の上部にメタル配線を形成し、スルーホールを通じてメタル配線と電極21とを電気的に接続することにより、本実施の形態の強相関電子メモリが完成する。
Although illustration is omitted, after that, an interlayer insulating film made of a silicon oxide film is deposited on the upper portion of the
本実施の形態の強相関電子メモリの外観的特徴は、プラグ19の径が電極21の幅よりも小さいことにある。従って、強相関電子メモリの特性を担う部分の面積が小さくなるが、接触抵抗値は、低抵抗状態と高抵抗状態とで一桁以上異なるので、全く問題ない。このように、本実施の形態の強相関電子メモリは、その特性を担う部分の面積が小さくとも不揮発性を保持するため、DRAMのキャパシタのように深いトレンチを形成する必要がない。従って、デバイスのスケーリングを進めても、アスペクト比の増加による加工不良が生じない。また、熱拡散の速い貴金属材料を用いていないことも、本実施の形態の強相関電子メモリの特徴である。
An external feature of the strongly correlated electronic memory of the present embodiment is that the diameter of the
次に、本実施の形態に基づく強相関電子メモリの動作について述べる。なお、説明を簡単にするために、n+拡散層15(ソース)の電位を0Vにしたものとして説明する。まず、五酸化タンタル膜20とW膜(プラグ19)の界面を低抵抗状態にするためには、良好な接触をとる電極21に対して−4Vの電位を印加した後、メモリセル選択用MISFETのゲート電極11の電位を+1Vとし、トランジスタをオン状態にする。すると、図7(b)に示したように、バンドが変形し、界面により多くの電子が蓄えられる。電圧を印加している時間は、10ns程度の短時間で差し支えない。すべての電位を0Vに戻すと、系の状態は図9(a)に示した準安定状態8になり、界面で発生する接触抵抗が低くなる。系の状態は準安定状態8であり、安定状態4よりエネルギーは高い。しかし、一旦この状態になると、少なくとも観測可能な十分長い時間でこの準安定状態8を保つことが確認された。従って、本実施の形態の強相関電子メモリは、不揮発性を有している。Next, the operation of the strongly correlated electronic memory based on this embodiment will be described. In order to simplify the description, it is assumed that the potential of the n + diffusion layer 15 (source) is 0V. First, in order to bring the interface between the
次に、五酸化タンタル膜20とW膜(プラグ19)との界面を高抵抗状態にするためには、良好な接触をとる電極21に対して+2Vの電位を印加した後、メモリセル選択用MISFETのゲート電極11の電位を+1Vとし、トランジスタをオン状態にする。すると、図8(b)に示したように、バンドが変形し、界面に蓄えられていた電子が流れる。電圧を印加している時間は、10ns程度の短時間で差し支えない。すべての電位を0Vに戻すと、系の状態は図4(a)に示した安定状態4になり、界面で発生する接触抵抗が高くなる。
Next, in order to bring the interface between the
読み出しの際には、メモリを書き換えるよりも小さい電圧を印加して流れる電流の大小を観測すればよい。従って、書き換えの時と同じように、n+拡散層15(ソース)の電位を0Vにしたとすると、良好な接触をとる電極20に対して+1Vの電位を印加した後、メモリセル選択用MISFETのゲート電極11の電位を+1Vとし、流れる電流の大小を観測すればよい。本実施の形態に基づく強相関電子メモリでは、界面抵抗の大小による電流比が約1000であった。これは、高抵抗状態と低抵抗状態とを十分に区別できることを示している。At the time of reading, it is only necessary to apply a smaller voltage than to rewrite the memory and observe the magnitude of the flowing current. Accordingly, when the potential of the n + diffusion layer 15 (source) is set to 0 V, as in the case of rewriting, a potential of +1 V is applied to the
(実施の形態2)
図18〜図20を用いて、本実施の形態による強相関電子メモリの製造方法を工程順に説明する。本実施の形態では、まず、図18に示すように、基板9の主面にメモリセル選択用MISFETを形成し、続いて基板9上に堆積した厚い酸化シリコン膜17を化学的機械研磨法で平坦化した後、ゲート電極11およびn+拡散層15(ソース、ドレイン)のそれぞれの上部の酸化シリコン膜17にコンタクトホール18を形成し、コンタクトホール18の内部にプラグ19を形成する。ここまでの工程は、前記実施の形態1の図11〜図15に示した工程と同じである。プラグ19は、TiN膜とW膜との積層膜で構成する。前記実施の形態1と同様、プラグ19の主要部を構成するW膜は、強相関電子系材料5に対して良好でない接触をとる電極6として機能する。(Embodiment 2)
The manufacturing method of the strongly correlated electronic memory according to the present embodiment will be described in the order of steps with reference to FIGS. In the present embodiment, first, as shown in FIG. 18, a memory cell selection MISFET is formed on the main surface of the substrate 9, and then the thick
次に、図19に示すように、プラグ19(TiN膜とW膜)の表面部を酸素雰囲気中で熱処理する。これにより、プラグ19の表面部には、中央部(W膜が形成されていた領域)がWOx層からなり、側壁部(TiN膜が形成されていた領域)がTiOyNz層からなる強相関電子系材料膜22が形成される。ここで、WOx層は、その形式価数であるxが2.9となるように調整する。また、WOx層の膜厚は3.0nm程度とする。側壁部に形成されたTiOyNz層は、WOx層に比べて一桁程度体積が少ないため、メモリ特性に大きな影響を与えることはない。Next, as shown in FIG. 19, the surface portion of the plug 19 (TiN film and W film) is heat-treated in an oxygen atmosphere. Thereby, on the surface portion of the
次に、図20に示すように、酸化シリコン膜17の上部にスパッタリング法でTi膜を堆積した後、フォトレジスト膜をマスクに用いたドライエッチングでTi膜をパターニングすることにより、良好な接触をとる電極23を形成する。なお、電極23を形成しない領域、すなわちn+拡散層15(ドレイン)の上部以外の領域に形成された強相関電子系材料膜22は、プラグ26の抵抗を低減するために、Ti膜をパターニングする際に除去する。このようにすると、強相関電子系材料膜22が除去されたプラグ26の表面と酸化シリコン膜17の表面との間に段差が生じるが、この段差は3.0nm程度と極めて小さいため、電気的に問題になることはない。Next, as shown in FIG. 20, after a Ti film is deposited on top of the
図示は省略するが、その後、電極21の上部にCVD法で酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜を堆積し、続いて電極23の上部の層間絶縁膜をエッチングしてスルーホールを形成した後、層間絶縁膜の上部にメタル配線を形成し、スルーホールを通じてメタル配線と電極23とを電気的に接続することにより、本実施の形態の強相関電子メモリが完成する。
Although illustration is omitted, after that, an interlayer insulating film made of a silicon oxide film is deposited on the
このように、本実施の形態に基づく強相関電子メモリの製造方法では、既存のシリコンプロセスの配線材料として使用されているWを熱酸化することによって、強相関電子系材料を形成する。従って、新たな設備投資をすることなく高性能の不揮発性RAMを製造することができる。 As described above, in the manufacturing method of the strongly correlated electronic memory according to the present embodiment, the strongly correlated electron material is formed by thermally oxidizing W used as the wiring material of the existing silicon process. Therefore, a high-performance nonvolatile RAM can be manufactured without investing in new equipment.
(実施の形態3)
図21〜図23を用いて、本実施の形態による強相関電子メモリの製造方法を工程順に説明する。まず、前記実施の形態1の図11〜図15に示した工程に従って、メモリセル選択用MISFETの上部に堆積した酸化シリコン膜17にコンタクトホール18を形成し、続いてコンタクトホール18の内部にプラグ19を形成する。次に、図21に示すように、酸化シリコン膜17の上部にスパッタリング法で膜厚50nm程度のTi膜を堆積することによって、強相関電子系材料に対して良好な接触をとる電極23を形成する。(Embodiment 3)
The manufacturing method of the strongly correlated electronic memory according to the present embodiment will be described in the order of steps with reference to FIGS. First, in accordance with the steps shown in FIGS. 11 to 15 of the first embodiment, a
次に、図22に示すように、酸素雰囲気中で基板1を熱処理し、電極23を構成するTi膜の表面部を酸化することにより、電極23の表面にTiOxからなる強相関電子系材料膜22を形成する。ここで、TiOx層の形式価数xは、1.57となるように調整する。このように、強相関電子系材料膜22の酸素濃度を精密に制御することによって、Ti原子サイトに存在する電子数が、モット絶縁体が実現するx=1.50よりもわずかに少ない状態が実現する。遷移金属膜を酸化処理してその表面に強相関電子系材料膜22を形成する上記の方法は、Tiの他、例えばTa、Nb、Hf、Zr、V、W、Ni、Co、Mn、Cr、Cuなどを用いることによっても、実現可能である。Next, as shown in FIG. 22, the
次に、図23に示すように、基板9上にスパッタリング法で膜厚50nm程度のW膜を堆積した後、フォトレジスト膜をマスクに用いたドライエッチングでW膜をパターニングすることにより、良好でない接触をとる電極25を形成する。このとき、Ti膜からなる電極23によって素子間が短絡するのを防ぐため、良好な接触をとる電極23を強相関電子系材料膜22と共にパターニングする必要がある。
Next, as shown in FIG. 23, after depositing a W film having a film thickness of about 50 nm on the substrate 9 by sputtering, the W film is patterned by dry etching using a photoresist film as a mask. An
図示は省略するが、その後、電極25の上部にCVD法で酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜を堆積し、続いて電極25の上部の層間絶縁膜をエッチングしてスルーホールを形成した後、層間絶縁膜の上部にメタル配線を形成し、スルーホールを通じてメタル配線と電極25とを電気的に接続することにより、本実施の形態の強相関電子メモリが完成する。
Although not shown, after that, an interlayer insulating film made of a silicon oxide film is deposited on the upper portion of the
次に、前記実施の形態1と同じ方法で、電極の上部に層間絶縁膜を堆積し、続いて層間絶縁膜にスルーホールを形成した後、層間絶縁膜の上部にメタル配線を形成し、スルーホールを通じてメタル配線と電極とを電気的に接続することにより、強相関電子メモリが完成する。 Next, in the same manner as in the first embodiment, an interlayer insulating film is deposited on the upper part of the electrode, a through hole is subsequently formed in the interlayer insulating film, and then a metal wiring is formed on the upper part of the interlayer insulating film. A strongly correlated electronic memory is completed by electrically connecting the metal wiring and the electrode through the hole.
本実施の形態に基づく強相関メモリは、キャリア濃度を酸素密度によって精密に制御したことから、消去電圧を高抵抗化および低抵抗化を共に±2.0Vで行うことができる。なお、本実施の形態による製造方法では、前記実施の形態1、2と比較した場合、良好でない接触をとる電極25と良好な接触をとる電極23とが上下逆になっているため、印加すべき電圧の符号に注意する必要がある。このように、強相関電子系材料膜22のフェルミ準位を調整することによって、デバイス特性を最適化することができる。
In the strongly correlated memory according to the present embodiment, since the carrier concentration is precisely controlled by the oxygen density, the erase voltage can be increased and decreased both at ± 2.0V. In addition, in the manufacturing method according to the present embodiment, when compared with the first and second embodiments, the
(実施の形態4)
図24〜図26を用いて、本実施の形態による強相関電子メモリの製造方法を工程順に説明する。まず、前記実施の形態1の図11〜図15に示した工程に従って、メモリセル選択用MISFETの上部に堆積した酸化シリコン膜17にコンタクトホール18を形成した後、図24に示すように、コンタクトホール18の内部にプラグ26を形成する。(Embodiment 4)
The manufacturing method of the strongly correlated electronic memory according to the present embodiment will be described in the order of steps with reference to FIGS. First, according to the steps shown in FIGS. 11 to 15 of the first embodiment, a
前記実施の形態1では、TiN膜とW膜との積層膜でプラグ19を構成したが、本実施の形態では、TiN膜でプラグ26を構成する。この場合は、前記実施の形態1と逆に、プラグ26を構成するTiN膜が、前述した強相関電子系材料5に対して良好な接触をとる電極6として機能する。
In the first embodiment, the
次に、図25に示すように、プラグ26(TiN膜)の表面部を酸素雰囲気中で熱処理する。これにより、プラグ26の表面部には、膜厚3.0nm程度のTiOyNz層からなる強相関電子系材料膜22が形成される。次に、図26に示すように、基板9上にスパッタリング法で膜厚50nm程度のW膜を堆積した後、フォトレジスト膜をマスクに用いたドライエッチングでW膜をパターニングすることにより、良好でない接触をとる電極25を形成する。なお、電極25を形成しない領域、すなわちn+拡散層15(ドレイン)の上部以外の領域に形成された強相関電子系材料膜22は、プラグ26の抵抗を低減するために、W膜をパターニングする際に除去する。このようにすると、強相関電子系材料膜22が除去されたプラグ26の表面と酸化シリコン膜17の表面との間に段差が生じるが、前記実施の形態2と同様、この段差は3.0nm程度と極めて小さいため、電気的に問題になることはない。Next, as shown in FIG. 25, the surface portion of the plug 26 (TiN film) is heat-treated in an oxygen atmosphere. Thereby, a strongly correlated
その後の工程は、前記実施の形態1〜3と同じである。本実施の形態の製造方法によれば、前記実施の形態1〜3と比較して、強相関電子メモリの製造工程を簡略化することができる。 Subsequent steps are the same as those in the first to third embodiments. According to the manufacturing method of the present embodiment, the manufacturing process of the strongly correlated electronic memory can be simplified as compared with the first to third embodiments.
(実施の形態5)
図27は、例えば前記実施の形態3の方法で製造された強相関電子メモリを基板上1に多数集積したメモリアレイの回路図である。強相関電子メモリは、X方向に延在する複数のワード線WLとY方向に延在する複数のビット線BLとの交点に配置されている。ワード線WLには、X方向に並んだ複数の強相関電子メモリのそれぞれのゲート電極11が接続されている。(Embodiment 5)
FIG. 27 is a circuit diagram of a memory array in which a number of strongly correlated electronic memories manufactured by the method of the third embodiment are integrated on a
強相関電子メモリのn+拡散層15(ドレイン)と基板1は、接地されている。図23に示すように、n+拡散層15(ドレイン)は、プラグ19を介して良好な接触をとる電極23に繋がっており、この電極23とその上部に形成された強相関電子系材料膜22との界面が可変抵抗体として機能している。また、強相関電子系材料膜22の上部に形成された、良好でない接触をとる電極25は、ビット線BLに接続されている。The n + diffusion layer 15 (drain) of the strongly correlated electron memory and the
次に、図27に示す回路を用いて、メモリセルの動作を説明する。まず、書き込みの際には、強相関電子系材料膜22と電極25との界面を低抵抗状態にするために、低抵抗状態にしたいメモリセルに接続されたビット線BLに+2Vの電位を印加した後、このメモリセルに接続されたワード線WLの電位を+1Vとし、メモリセル選択用MISFETをオン状態にする。すると、図7に示したように、バンドが変形し、強相関電子系材料膜22と電極25との界面により多くの電子が蓄えられる。電圧を印加している時間は、10ns程度の短時間で差し支えない。ワード線WLとビット線BLの電位をそれぞれ0Vに戻すと、系の状態は図9に示した準安定状態8になり、界面の抵抗が低くなる。
Next, the operation of the memory cell will be described using the circuit shown in FIG. First, at the time of writing, in order to bring the interface between the strongly correlated
一方、強相関電子系材料膜22と電極25との界面を高抵抗状態にするためには、高抵抗状態にしたいメモリセルのビット線BLに−2Vの電位を印加した後、低抵抗状態にしたいメモリセルのワード線WLの電位を+1Vとし、メモリセル選択用MISFETをオン状態にする。すると、図8に示したように、バンドが変形し、界面に蓄えられていた電子が流れる。電圧を印加している時間は、同じく10ns程度の短時間で差し支えない。ワード線WLとビット線BLの電位をそれぞれ0Vに戻すと、系の状態は図4に示した安定状態4になり、界面で発生する接触抵抗が高くなる。このように、上記メモリアレイは、選択的にメモリセルの書き換えができる。
On the other hand, in order to set the interface between the strongly correlated
次に、メモリセルの読み出し動作を説明する。読み出しの際には、メモリセルを書き換えるよりも小さい電圧を印加して流れる電流の大小を観測すればよい。すなわち、読み出しを行いたいメモリセルのビット線BLに+1Vの電位を印加した後、低抵抗状態にしたいメモリセルのワード線WLの電位を+1Vとし、メモリセル選択用MISFETをオン状態にする。このとき、界面が低抵抗状態の場合には、ビット線BLに大きな電流が流れるが、界面が高抵抗状態の場合には、ビット線BLに小さい電流しか流れない。ビット線BLに印加する電圧が1V程度と小さい場合には、記憶されているメモリ情報が書き換えられてしまうことはない。このようにして、メモリアレイに蓄えられた情報を選択的に抽出することが可能となる。 Next, a memory cell read operation will be described. At the time of reading, it is only necessary to observe the magnitude of the flowing current by applying a smaller voltage than rewriting the memory cell. That is, after a potential of +1 V is applied to the bit line BL of the memory cell to be read, the potential of the word line WL of the memory cell to be brought into the low resistance state is set to +1 V, and the memory cell selection MISFET is turned on. At this time, when the interface is in a low resistance state, a large current flows through the bit line BL, but when the interface is in a high resistance state, only a small current flows through the bit line BL. When the voltage applied to the bit line BL is as small as about 1V, the stored memory information is not rewritten. In this way, information stored in the memory array can be selectively extracted.
上記のような書き換えおよび読み出し動作を行った場合の波形について、図28および図29を用いて説明する。非選択時のワード線WLとビット線BLには、共に0Vの電位を印加しておき、選択メモリセル以外のメモリセルから電流が流れないようにしておく。図28に示すように、メモリセルを低抵抗状態にするためには、ビット線BLに2Vの電圧を印加し、ワード線WLに1Vの電圧を印加する。これによって、抵抗が低抵抗状態に変化する。次に、メモリセルを高抵抗状態に書き換える場合には、選択メモリセルに接続されたビット線BLに−2Vの電圧を印加し、ワード線WLに1Vの電位を印加する。これによって、抵抗が高抵抗状態に変化する。 Waveforms when the above rewrite and read operations are performed will be described with reference to FIGS. A non-selected word line WL and bit line BL are both applied with a potential of 0 V so that no current flows from memory cells other than the selected memory cell. As shown in FIG. 28, in order to bring the memory cell into a low resistance state, a voltage of 2V is applied to the bit line BL, and a voltage of 1V is applied to the word line WL. As a result, the resistance changes to a low resistance state. Next, when rewriting the memory cell to a high resistance state, a voltage of −2 V is applied to the bit line BL connected to the selected memory cell, and a potential of 1 V is applied to the word line WL. As a result, the resistance changes to a high resistance state.
読み出しの場合は、図29に示すように、選択メモリセルに接続されたワード線WLとビット線BLに同時に1Vの電位を印加する。これによって、流れる電流の大小によって抵抗状態を区別する。選択メモリセル以外にも、ワード線WLまたはビット線BLの電圧が印加されるメモリセルがあるが、そのようなメモリセルは、ワード線WLまたはビット線BLのいずれかが0Vの電圧に設定されているため、メモリセル選択用MISFETがオン状態に動作することはなく、選択メモリセル以外のメモリセルにディスターブされることはない。 In the case of reading, as shown in FIG. 29, a potential of 1 V is simultaneously applied to the word line WL and the bit line BL connected to the selected memory cell. Thus, the resistance state is distinguished by the magnitude of the flowing current. In addition to the selected memory cell, there is a memory cell to which the voltage of the word line WL or the bit line BL is applied. In such a memory cell, either the word line WL or the bit line BL is set to a voltage of 0V. Therefore, the memory cell selecting MISFET does not operate in the ON state and is not disturbed by memory cells other than the selected memory cell.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
本発明は、強相関電子メモリを用いた抵抗値可変型不揮発性RAMに適用することができる。 The present invention can be applied to a variable resistance nonvolatile RAM using a strongly correlated electronic memory.
Claims (15)
前記可変抵抗部は、最外殻電子軌道がd電子またはf電子によって構成された強相関電子系材料からなる薄膜と、前記薄膜の一方の面にオーミック接触された第1電極と、前記薄膜の他方の面に非オーミック接触された第2電極とからなり、
前記強相関電子系材料からなる薄膜と前記第2電極との界面における電気抵抗値の大小によって情報を記憶することを特徴とする不揮発性メモリ素子。A non-volatile memory element composed of a variable resistance portion and a memory cell selection MISFET connected in series to the variable resistance portion,
The variable resistance portion includes a thin film made of a strongly correlated electron material whose outermost electron trajectory is composed of d electrons or f electrons, a first electrode in ohmic contact with one surface of the thin film, A second electrode in non-ohmic contact with the other surface,
A non-volatile memory device, wherein information is stored according to a magnitude of an electric resistance value at an interface between the thin electrode made of the strongly correlated electron material and the second electrode.
前記不揮発性メモリ素子は、可変抵抗部と、前記可変抵抗部に直列に接続されたメモリセル選択用MISFETとによって構成され、
前記可変抵抗部は、最外殻電子軌道がd電子またはf電子によって構成された強相関電子系材料からなる薄膜と、前記薄膜の一方の面にオーミック接触された第1電極と、前記薄膜の他方の面に非オーミック接触された第2電極とからなり、
前記強相関電子系材料からなる薄膜と前記第2電極との界面における電気抵抗値の大小によって情報を記憶することを特徴とする半導体装置。A nonvolatile memory element is formed at intersections of a plurality of word lines extending in a first direction on a main surface of a semiconductor substrate and a plurality of bit lines extending in a second direction orthogonal to the first direction. A semiconductor device,
The nonvolatile memory element includes a variable resistance portion and a memory cell selection MISFET connected in series to the variable resistance portion.
The variable resistance portion includes a thin film made of a strongly correlated electron material whose outermost electron trajectory is composed of d electrons or f electrons, a first electrode in ohmic contact with one surface of the thin film, A second electrode in non-ohmic contact with the other surface,
A semiconductor device characterized in that information is stored according to a magnitude of an electric resistance value at an interface between the thin film made of the strongly correlated electron material and the second electrode.
前記可変抵抗部は、最外殻電子軌道がd電子またはf電子によって構成された強相関電子系材料からなる薄膜と、前記薄膜の一方の面にオーミック接触された第1電極と、前記薄膜の他方の面に非オーミック接触された第2電極とからなり、
前記強相関電子系材料からなる薄膜と前記第2電極との界面における電気抵抗値の大小によって情報を記憶する不揮発性メモリ素子の製造方法であって、
(a)半導体基板の主面に前記メモリセル選択用MISFETを形成する工程と、
(b)前記メモリセル選択用MISFETの上部に絶縁膜を形成した後、前記メモリセル選択用MISFETの上部の前記絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、
(c)前記コンタクトホールの内部にプラグを埋め込んだ後、前記プラグの上部に前記可変抵抗部を形成する工程と、
を含むことを特徴とする不揮発性メモリ素子の製造方法。A variable resistance section, and a memory cell selection MISFET connected in series to the variable resistance section;
The variable resistance portion includes a thin film made of a strongly correlated electron material whose outermost electron trajectory is composed of d electrons or f electrons, a first electrode in ohmic contact with one surface of the thin film, A second electrode in non-ohmic contact with the other surface,
A method for manufacturing a nonvolatile memory element that stores information according to a magnitude of an electrical resistance value at an interface between a thin film made of the strongly correlated electron material and the second electrode,
(A) forming the memory cell selection MISFET on the main surface of the semiconductor substrate;
(B) a step of forming a contact hole in the insulating film above the memory cell selecting MISFET after forming an insulating film on the memory cell selecting MISFET;
(C) after filling a plug in the contact hole, forming the variable resistance portion on the plug;
A method for manufacturing a non-volatile memory device, comprising:
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