JPWO2018203459A1 - 選択素子および記憶装置 - Google Patents
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Abstract
Description
1.第1の実施の形態(OTS層の周囲に熱バイパス層を設けた例)
1−1.選択素子の構成
1−2.メモリセルアレイの構成
1−3.作用・効果
2.第2の実施の形態(熱バイパス層を上部電極および下部電極の周囲まで延在した例)
3.第3の実施の形態(一方向に延在する半導体層の両側に熱バイパス層を設けた例)
4.変形例(選択素子およびメモリセルアレイの他の例)
図1は、本開示の第1の実施の形態に係る選択素子(選択素子10)の断面構成を模式的に表したものである。この選択素子10は、例えば図4に示した、所謂クロスポイントアレイ構造を有するメモリセルアレイ(メモリセルアレイ100)において複数配設されたうちの任意の記憶素子(記憶素子40)を選択的に動作させるためのものである。選択素子10は、詳細は後述するが、記憶素子40に直列に接続されており、対向配置された下部電極11(第1電極)と上部電極12(第2電極)との間にOTS(Ovonic Threshold Switching)層13(半導体層)が配置された構成を有する。本実施の形態の選択素子10では、図2に示したように、OTS層13の周囲に、熱バイパス層14(第1の熱バイパス層)が配設されている。
選択素子10は、印加電圧の増加とともに抵抗が大幅に低下(低抵抗状態;オン状態)し、印加電圧が低い場合に高抵抗状態(オフ状態)を呈するものである。換言すると、選択素子10は、印加電圧が低い場合には電気抵抗が高く、印加電圧が高い場合には電気抵抗が大幅に低下し、大電流(例えば数桁倍の電流)が流れる非線形の電気抵抗特性を有するものである。また、選択素子10は、印加電圧を所定の電圧(閾値電圧)より下げる、あるいは、電圧の印加を停止すると高抵抗状態に戻るものであり、オン状態(低抵抗状態)が維持されないものである。選択素子10、本開示の「選択素子」の一具体例に相当する。
図4は、メモリセルアレイ100の構成の一例を斜視的に表したものである。メモリセルアレイ100は、本開示の「記憶装置」の一具体例に相当する。メモリセルアレイ100は、所謂クロスポイントアレイ構造の記憶装置であり、一の方向(例えばX軸方向)に延在する複数のワード線WLと、他の方向(例えばZ軸方向)に延在する複数のビット線BLとの交点に、それぞれメモリセル1が配置されたものである。
半導体メモリにおいてデータを格納する単位素子はメモリセルと呼ばれている。一般的な記憶装置では、このメモリセルを平面上に複数並べたり(クロスポイント型メモリセルアレイ)、平面に対して垂直方向に積層する(スタック型メモリセルアレイ)ことで大容量化を図っている。いずれの場合も、メモリセルアレイを構成する複数のメモリセルは、それぞれ、ワード線およびビット線と呼ばれる2つの導体の交点に配置され、それぞれの位置は、対応するワード線およびビット線に適切な信号を印加することによって特定される。メモリセルは、通常、記憶素子および選択素子の2つの素子によって構成されている。例えば、NAND−Flashメモリでは、記憶素子は浮遊ゲートによって構成されており、選択素子は電界効果トランジスタによって構成されている。また、抵抗変化メモリ(Resistive RAM:ReRAM)では、記憶素子は高抵抗膜によって構成されており、選択素子は、例えばMSM(Metal-Semiconductor-Metal)ダイオードやMIM(Metal-Insulator-Metal)ダイオードによって構成されている。
まず、TiNよりなるカソード電極(下部電極11)を逆スパッタによってクリーニングした。次に、成膜チャンバー内に窒素を流しながらリアクティブスパッタによってTiN上にB40C13Te17−N30(原子%)からなるOTS層13を、例えば30nmの厚みに成膜した。続いて、OTS層13をサイドエッチングして直径60nmφとしたのち、OTS層13の周囲に、元素組成BAsからなる熱バイパス層14を、内径60nmφ、外径100nmφおよび30nmの厚みで成膜した。最後に、W膜よりなるアノード電極(上部電極12)を形成した。最終的な素子サイズは、100nmφとした。なお、本実施例では、図13に示した電流電圧特性図において用いた一般的な選択素子(選択ダイオード素子)と比べて閾値電流に大きな差が出ないように熱抵抗値を調整した。
図16は、本開示の第2の実施の形態に係る選択素子(選択素子20)の断面構成を表したものである。この選択素子20は、上記第1の実施の形態における選択素子10と同様に、例えばクロスポイントアレイ構造を有するメモリセルアレイ(例えば、メモリセルアレイ100)において複数配設されたうちの任意の記憶素子(記憶素子40)を選択的に動作させるためのものである。選択素子20は、記憶素子40に直列に接続されており、対向配置された下部電極11と上部電極12との間にOTS層13が配置されたものである。本実施の形態では、これら下部電極11、上部電極12およびOTS層13の周囲に、連続して熱バイパス層24が配設された点が、上記第1の実施の形態とは異なる。
図17は、本開示の第3の実施の形態に係る選択素子(選択素子30)を構成するOTS層33および熱バイパス層34を斜視的に表したものである。この選択素子30は、上記第1の実施の形態における選択素子10と同様に、例えばクロスポイントアレイ構造を有するメモリセルアレイ(例えば、メモリセルアレイ100)において複数配設されたうちの任意の記憶素子(記憶素子40)を選択的に動作させるためのものである。選択素子30は、記憶素子40に直列に接続されており、対向配置された下部電極11と上部電極12との間にOTS層33が配置されたものである。本実施の形態では、OTS層33は一方向(例えば、ワード線WL方向またはビット線BL方向)に延在しており、その延在するOTS層33の両側に熱バイパス層34が設けられた点が、上記第1および第2の実施の形態とは異なる。
(変形例1)
図18は、本開示の変形例に係る選択素子(選択素子60)の断面構成を模式的に表したものである。この選択素子60は、上記第1の実施の形態における選択素子10と同様に、例えばクロスポイントアレイ構造を有するメモリセルアレイ(例えば、メモリセルアレイ100)において複数配設されたうちの任意の記憶素子(記憶素子40)を選択的に動作させるためのものである。本変形例における選択素子60は、選択素子10と同様に、対向配置された下部電極11と上部電極12との間に設けられたOTS層13の周囲に熱バイパス層64Aを有すると共に、OTS層13の内部(例えば中心部)に熱バイパス層64B(第2の熱バイパス層)が設けられたものである。
図19は、本開示の変形例に係るメモリセルアレイ200の構成を斜視的に表したものである。このメモリセルアレイ200は、上記メモリセルアレイ100と同様に、クロスポイント型のメモリセルアレイである。本変形例のメモリセルアレイ200では、選択素子10は、互いに共通の方向に延在する各ワード線WLに沿って延在している。記憶素子40は、ワード線WLとは異なる方向(例えば、ワード線WLの延在方向と直交する方向)に延在するビット線BLに沿って延在している。また、複数のワード線WLと、複数のビット線BLとのクロスポイントでは、中間電極50を介して、選択素子10と記憶素子40とが積層された構成となっている。
図20は、本開示の変形例に係る3次元構造を有するメモリセルアレイ300の構成の一例を斜視的に表したものである。図21は、メモリセルアレイ300の1つのクロスポイントにおけるY軸方向の断面構成を詳細に表したものである。各ワード線WLは、互いに共通の方向(図20では、X軸方向)に延在している。各ビット線BLは、ワード線WLの延在方向とは異なる方向(例えば、ワード線WLの延在方向と直交する方向(図20では、Z軸方向))であって、かつ互いに共通の方向に延在している。3次元構造を有するメモリセルアレイ300では、ワード線WLおよびビット線BLは、Y軸方向に交互(図20では、ワード線WL/ビット線BL/ワード線WLの順に)に積層されており、積層されたワード線WLとビット線BLとの間に、それぞれメモリセル1が形成されている。即ち、本変形例のメモリセルアレイ300は、クロスポイント型のメモリセルアレイであると共に、複数のメモリセル1がY軸方向に積層されたスタック型のメモリセルである。
(1)
第1電極と、
前記第1電極と対向配置された第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられると共に、テルル(Te)、セレン(Se)および硫黄(S)から選ばれる少なくとも1種のカルコゲン元素と、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、リン(P)、ヒ素(As)、炭素(C)、ゲルマニウム(Ge)およびケイ素(Si)から選ばれる少なくとも1種の第1元素とを含む半導体層と、
前記第1電極と前記第2電極との間において、前記半導体層の周囲の少なくとも一部に設けられた前記半導体層よりも熱伝導率の高い熱バイパス層と
を備えた選択素子。
(2)
前記半導体層は、さらに酸素(O)および窒素(N)から選ばれる少なくとも1種の第2元素を含む、前記(1)に記載の選択素子。
(3)
前記熱バイパス層は、前記第1電極および前記第2電極の側面まで延在している、前記(1)または(2)に記載の選択素子。
(4)
前記熱バイパス層は、炭素(C)、ホウ素(B)およびリン(P)のうちのいずれかがドーピングされた酸化シリコン(SiO2)または窒化ケイ素(Si3N4)、あるいは、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ジルコン(ZrO2)、炭化シリコン(SiC)、ベリリア(BeO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(TiO2)、ホウ化ヒ素(BAs)、ホウ化アンチモン(BSb)、リン化ホウ素(BP)または窒化ホウ素(BN)のいずれかの合金を含む、前記(1)乃至(4)のうちのいずれかに記載の選択素子。
(5)
前記熱バイパス層の熱伝導率と断面積との積は、前記半導体層の熱伝導率と断面積との積よりも大きい、前記(1)乃至(4)のうちのいずれかに記載の選択素子。
(6)
前記半導体層は円環形状を有し、前記円環形状の中心部に第2の熱バイパス層が設けられている、前記(1)乃至(5)のうちのいずれかに記載の選択素子。
(7)
前記半導体層は、非晶質相と結晶相との相変化を伴うことなく、印加電圧を所定の閾値電圧以上とすることにより低抵抗状態に、前記閾値電圧より下げることにより高抵抗状態に変化する、前記(1)乃至(6)のうちのいずれかに記載の選択素子。
(8)
複数のメモリセルを備え、
前記複数のメモリセルは、それぞれ、記憶素子および前記記憶素子に接続された選択素子を含み、
前記選択素子は、
第1電極と、
前記第1電極と対向配置された第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられると共に、テルル(Te)、セレン(Se)および硫黄(S)から選ばれる少なくとも1種のカルコゲン元素と、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、リン(P)、ヒ素(As)、炭素(C)、ゲルマニウム(Ge)およびケイ素(Si)から選ばれる少なくとも1種の第1元素とを含む半導体層と、
前記第1電極と前記第2電極との間において、前記半導体層の周囲の少なくとも一部に設けられた前記半導体層よりも熱伝導率の高い熱バイパス層と
を備えた記憶装置。
(9)
隣り合う前記選択素子の間には電熱絶縁層が設けられている、前記(8)に記載の記憶装置。
(10)
前記電熱絶縁層は、隣り合う前記複数のメモリセルの間に設けられている、前記(9)に記載の記憶装置。
(11)
前記電熱絶縁層は、前記半導体層を構成する材料、酸化シリコン(SiO2)または窒化ケイ素(Si3N4)の合金を含む、前記(9)または(10)に記載の記憶装置。
(12)
前記記憶素子は、相変化メモリ素子、抵抗変化メモリ素子および磁気抵抗メモリ素子のいずれかである、前記(8)乃至(11)のうちのいずれかに記載の記憶装置。
(13)
前記複数のメモリセルは、2つ以上積層されている、前記(8)乃至(12)のうちのいずれかに記載の記憶装置。
Claims (13)
- 第1電極と、
前記第1電極と対向配置された第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられると共に、テルル(Te)、セレン(Se)および硫黄(S)から選ばれる少なくとも1種のカルコゲン元素と、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、リン(P)、ヒ素(As)、炭素(C)、ゲルマニウム(Ge)およびケイ素(Si)から選ばれる少なくとも1種の第1元素とを含む半導体層と、
前記第1電極と前記第2電極との間において、前記半導体層の周囲の少なくとも一部に設けられた前記半導体層よりも熱伝導率の高い第1の熱バイパス層と
を備えた選択素子。 - 前記半導体層は、さらに酸素(O)および窒素(N)から選ばれる少なくとも1種の第2元素を含む、請求項1に記載の選択素子。
- 前記第1の熱バイパス層は、前記第1電極および前記第2電極の側面まで延在している、請求項1に記載の選択素子。
- 前記第1の熱バイパス層は、炭素(C)、ホウ素(B)およびリン(P)のうちのいずれかがドーピングされた酸化シリコン(SiO2)または窒化ケイ素(Si3N4)、あるいは、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ジルコン(ZrO2)、炭化シリコン(SiC)、ベリリア(BeO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(TiO2)、ホウ化ヒ素(BAs)、ホウ化アンチモン(BSb)、リン化ホウ素(BP)または窒化ホウ素(BN)のいずれかの合金を含む、請求項1に記載の選択素子。
- 前記第1の熱バイパス層の熱伝導率と断面積との積は、前記半導体層の熱伝導率と断面積との積よりも大きい、請求項1に記載の選択素子。
- 前記半導体層は円環形状を有し、前記円環形状の中心部に第2の熱バイパス層が設けられている、請求項1に記載の選択素子。
- 前記半導体層は、非晶質相と結晶相との相変化を伴うことなく、印加電圧を所定の閾値電圧以上とすることにより低抵抗状態に、前記閾値電圧より下げることにより高抵抗状態に変化する、請求項1に記載の選択素子。
- 複数のメモリセルを備え、
前記複数のメモリセルは、それぞれ、記憶素子および前記記憶素子に接続された選択素子を含み、
前記選択素子は、
第1電極と、
前記第1電極と対向配置された第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられると共に、テルル(Te)、セレン(Se)および硫黄(S)から選ばれる少なくとも1種のカルコゲン元素と、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、リン(P)、ヒ素(As)、炭素(C)、ゲルマニウム(Ge)およびケイ素(Si)から選ばれる少なくとも1種の第1元素とを含む半導体層と、
前記第1電極と前記第2電極との間において、前記半導体層の周囲の少なくとも一部に設けられた前記半導体層よりも熱伝導率の高い第1の熱バイパス層と
を備えた記憶装置。 - 隣り合う前記選択素子の間には電熱絶縁層が設けられている、請求項8に記載の記憶装置。
- 前記電熱絶縁層は、隣り合う前記複数のメモリセルの間に設けられている、請求項9に記載の記憶装置。
- 前記電熱絶縁層は、前記半導体層を構成する材料、酸化シリコン(SiO2)または窒化ケイ素(Si3N4)の合金を含む、請求項9に記載の記憶装置。
- 前記記憶素子は、相変化メモリ素子、抵抗変化メモリ素子および磁気抵抗メモリ素子のいずれかである、請求項8に記載の記憶装置。
- 前記複数のメモリセルは、2つ以上積層されている、請求項8に記載の記憶装置。
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