TWI814047B - 開關元件 - Google Patents
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Abstract
實施形態提供一種可減少漏電流的開關元件。實施形態的開關元件具備配置於第一電極及第二電極之間的開關層。開關層包含含有第一陽離子元素Z、Te及N的材料。該材料具有下述組成，即：含有分別為5原子%以上的Z、Te及N，並且於將Te的原子比設為X，將N的原子比設為Y，將Z的原子比設為W，將Z、Te與N的三元系相圖中連結第一陽離子元素Z和碲的化合物、與第一陽離子元素Z的氮化物的直線上的Z
2Te
3與ZN的比率設為A，將自Z
2Te
3-ZN線的N量的變化設為B時，滿足X＝1.2（1－A）（0.5＋B）、Y＝A（0.5＋B）、W＝1－X－Y，並且於1/3＞A及3/4＜A時滿足-0.06≦B≦0.06，於1/3≦A≦3/4時滿足-0.06≦B及Y≦0.45。
Description
[相關申請案]
本申請案享有以日本專利申請案2020-157380號（申請日：2020年9月18日）作為基礎申請案的優先權。本申請案藉由參照該基礎申請案而包含基礎申請案的所有內容。
本發明的實施形態是有關於一種開關元件。
電阻變化元件被用於半導體記憶裝置，所述電阻變化元件具有開關層、及作為不揮發性記憶體層的電阻變化層。此種電阻變化元件中，為了切換流向電阻變化層等的電流的通/斷（ON/OFF），可使用具有開關層的開關元件。
本發明所欲解決的課題在於提供一種可減少漏電流的開關元件。
實施形態的開關元件具備：第一電極；第二電極；以及開關層，配置於所述第一電極與所述第二電極之間。實施形態的開關元件中，開關層包含含有第一陽離子元素Z、碲及氮的材料，所述材料具有下述組成，即：含有分別為5原子%（原子百分比）以上的所述第一陽離子元素Z、碲及氮，並且於將碲的原子比設為X，將氮的原子比設為Y，將所述第一陽離子元素Z的原子比設為W，將所述第一陽離子元素Z、碲及氮的三元系相圖中連結所述第一陽離子元素Z和碲的化合物、與所述第一陽離子元素Z的氮化物的直線上的Z
2Te
3與ZN的比率設為A，將所述三元系相圖中自連結所述Z
2Te
3與ZN的直線的氮的原子比的變化量設為B時，滿足： 通式1：X＝1.2（1－A）（0.5＋B） 通式2：Y＝A（0.5＋B） 通式3：W＝1－X－Y，
且於1/3＞A及3/4＜A時滿足-0.06≦B≦0.06，於1/3≦A≦3/4時滿足-0.06≦B及Y≦0.45。
以下，參照圖式對實施形態的開關元件進行說明。各實施形態中，有時對實質上相同的構成部位標註相同符號，省略其一部分說明。圖式為示意性，有時厚度與平面尺寸的關係、各部的厚度的比率等與現實不同。
圖1為表示實施形態的開關元件1的基本構成的剖面圖。圖1所示的開關元件1包括：第一電極2；第二電極3；以及開關層4，配置於第一電極2與第二電極3之間。開關層4具有下述功能，即：切換在第一電極2與第二電極3之間流動的電流的通/斷。開關層4具有下述電氣特性，即：於施加有小於臨限值（Vth）的電壓的情形時，成為電阻值高的斷開狀態，通過自該狀態施加臨限值（Vth）以上的電壓，從而自電阻值高的斷開狀態急遽過渡至電阻值低的接通狀態。
即，於施加於開關層4的電壓小於臨限值（Vth）的情形時，開關層4作為絕緣體發揮功能，將附加於開關層4的電阻變化層般的功能層中流動的電流阻斷，將功能層設為斷開狀態。若施加於開關層4的電壓成為臨限值（Vth）以上，則開關層4的電阻值急遽降低而作為導電體發揮功能，經由開關層4在功能層中流動電流。具有開關層4的開關元件1例如於各種電子器件中，適用於流向功能層的電流的通/斷的控制。
例如，圖1所示的開關元件1如圖2所示，適用於電阻變化元件7，該電阻變化元件7於第一電極2與第二電極3之間，配置有開關層4與作為不揮發性記憶體層發揮功能的電阻變化層5的積層膜6。電阻變化元件7中的積層膜6不限於將開關層4與電阻變化層5直接積層的結構，亦可為於該些層之間插入有中間層或附加層等其他層的結構、於第一電極2與開關層4之間或電阻變化層5與第二電極3之間插入有中間層或附加層等的結構。
例如，電阻變化元件7如圖3所示，配置於位元線BL與字元線WL的交點而作為記憶體單元發揮功能。圖3僅表示一個位元線BL與一個字元線WL的交點，但實際上構成在多數個位元線BL及字元線W的各交點配置作為記憶體單元的電阻變化元件7的交叉點（cross point）型的半導體記憶裝置。亦可為於字元線WL上更積層有第二電阻變化元件及第二位元線BL的形態。即，亦可為下述結構，即：字元線WL與位元線BL交替積層，於該些線相交的位置配置有電阻變化元件，且積層數為一層以上。
關於電阻變化層5，可使用電阻變化型記憶體中的記憶體層。作為電阻變化型記憶體，已知有電阻變化記憶體（Resistive Random Access Memory，ReRAM）、相變記憶體（Phase Change Memory，PCM）、磁電阻記憶體（Magnetoresistive Randam Access Memory，MRAM）等。該些各種電阻變化型記憶體的記憶體層可用作電阻變化層5。電阻變化層5不限於單層結構，亦可為發揮各記憶體的功能所需要的多層膜。再者，開關元件1不限於電阻變化元件7，可用於各種電子器件的開關。
圖2及圖3所示的電阻變化元件7中，開關層（選擇層）4與電阻變化層5電性連接，具有切換流向電阻變化層5的電流的通/斷的功能。於施加於開關層4的電壓低於臨限值（Vth）時，開關層4作為絕緣體發揮功能，將電阻變化層5中流動的電流阻斷，將電阻變化層5設為斷開狀態。若施加於開關層4的電壓超過臨限值（Vth），則開關層4的電阻值急遽降低而作為導電體發揮功能，經由開關層4而在電阻變化層5中流動電流，可進行電阻變化層5的寫入或讀出動作。開關元件1於作為電阻變化型記憶體發揮功能的電阻變化元件7中，具有切換作為記憶體層的電阻變化層5的通/斷的功能。
所述開關元件1中，開關層4包含含有第一陽離子元素Z、碲（Te）及氮（N）的材料（以下亦稱為開關材料）。於獲得所述開關層4的功能（通/斷切換功能）的方面而言，第一陽離子元素Z較佳為與Te形成Z
2Te
3（第一陽離子元素Z與碲的化合物）所表示的化合物的陽離子元素。作為第一陽離子元素Z，較佳為選自由鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）、銻（Sb）及鉍（Bi）所組成的群組中的至少一個元素。已知該些陽離子元素均如Al
2Te
3、Ga
2Te
3、In
2Te
3、Sb
2Te
3、Bi
2Te
3般形成Z
2Te
3化合物。
用於開關層4的含有第一陽離子元素Z、Te及N的開關材料（以下亦稱為Z-Te-N材料）具有下述組成，即：含有分別為5原子%以上第一陽離子元素Z、Te及N，並且於將Te的原子比設為X，將N的原子比設為Y，將第一陽離子元素Z的原子比設為W，將第一陽離子元素Z、Te及N的三元系相圖中連結Z
2Te
3（第一陽離子元素Z與碲的化合物）、和ZN（第一陽離子元素Z的氮化物）的直線上的Z
2Te
3與ZN的比率設為A，將三元系相圖中自連結Z
2Te
3與ZN的直線的氮的原子比的變化量設為B時，滿足： 通式1：X＝1.2（1－A）（0.5＋B） 通式2：Y＝A（0.5＋B） 通式3：W＝1－X－Y， 且於1/3＞A及3/4＜A時滿足-0.06≦B≦0.06，於1/3≦A≦3/4時滿足-0.06≦B及Y≦0.45。關於該組成，將於下文詳述。此處，所謂Z-Te-N材料，表示含有陽離子元素Z、Te、及N的材料，且表示該些元素的比率並未特定的材料。
包含形成所述般的Z
2Te
3化合物的含有第一陽離子元素Z、Te及N的開關材料的開關層4顯示出基於電壓的臨限值（Vth）而於高電阻狀態與低電阻狀態之間過渡的性質（開關特性）。所述開關材料例如形成Z
2Te
3與ZN（例如AlN、GaN、InN、SbN、BiN等）的混合化合物。但是，開關材料並非明確地限於形成Z
2Te
3及ZN的Z-Te-N化合物，例如亦可一部分元素形成Z
2Te
3及ZN以外的化合物，或一部分元素以非晶狀態存在，或進而一部分形成Z-Z、Te-Te、N-N般的同極（Homopolar）鍵。作為與開關特性有關的機制的一例，可想到源於經由非晶結構所引起的帶隙（band gap）中的局域態（localized state）的導電機構。因此，開關層4亦可包含非晶結構。
關於圖2及圖3所示的電阻變化元件般的積層型記憶體器件等電子器件所使用的開關元件1，例如期望抑制導致讀入不良的潛泄（Sneak）電流，例如抑制對配置成矩陣狀的記憶體單元的一個施加電壓V時在鄰接的單元中流動相當於1/2 V的潛泄電流。因此，開關元件1要求具有低斷開（OFF）電流及高通/斷（ON/OFF）比。具有包含所述Z-Te-N材料的開關層4的開關元件1中，為了減少漏電流，有效的是減少Z-Z、Te-Te、N-N般的同極鍵。由此，可減少開關元件1的漏電流。
於適用含有Z-Te-N材料的開關層4的情形時，於Z-Te-N材料的三元系相圖中，將Z
2Te
3與ZN連結的直線（Z
2Te
3-ZN線）上的組成的同極鍵比率極小，可期待低漏電流。圖4中表示使用Al作為第一陽離子元素Z的代表例的Al-Te-N材料的三元系相圖。圖4以灰階（gray scale）表示同極鍵比率。圖4所示的Z-Te-N材料的三元系相圖中，將Al
2Te
3與AlN連結的直線（Al
2Te
3-AlN線）上的組成的同極鍵比率極小。因此，將圖4所示的Al-Te-N材料的三元系相圖中，於與Al
2Te
3-AlN線交叉的以氮單體為起點的直線（1）、直線（2）、直線（3）及直線（4）上使氮量變化時的漏電流的測定結果示於圖5。圖5為表示使氮量變化時的漏電流的變化的圖表。
如圖5所示般得知，於同極鍵比率極小的Al
2Te
3-AlN線上，存在漏電流極小的組成。因此，藉由適用於包含具有此種組成的Al-Te-N材料的開關層4，從而可使開關層4的漏電流極小。所述情況不限於Al-Te-N材料，包含與Al同樣的形成碲化合物及氮化合物的Ga、In、Sb、Bi等的Z-Te-N材料亦可期待同樣的特性。為了提高開關元件1的實用性，理想的是漏電流小。因此，如圖5所示般電流值顯示極小，可期待小的漏電流。同極較佳為約0.2的範圍。關於根據此種同極比率而自Z
2Te
3-ZN線上表示N量的範圍的B值，較佳為N量為±6原子%的範圍。
為了滿足所述般的同極為約0.2的範圍，較佳為滿足如上文所述的Z-Te-N材料的組成。具體而言，較佳為於圖6所示的Z-Te-N材料的三元系相圖中，具有以斜線的區域表示的組成。即，Z-Te-N材料的組成中，較佳為Z、Te及N的原子比分別設為5原子%以上。若Z、Te及N的原子比小於5原子%，則Z
2Te
3量或ZN量的任一個變得過多，圖6所示的三元系相圖的Z
2Te
3-ZN線過於接近Z-Te組成線或Z-N組成線，無法充分獲得基於Z
2Te
3-ZN組成的漏電流的減少效果。
Z-Te-N材料之組成進而較佳為於將Te的原子比設為X，將N的原子比設為Y，將Z的原子比設為W，將Z-Te-N的三元系相圖中Z
2Te
3-ZN線上的Z
2Te
3與ZN的比率設為A，將自Z
2Te
3-ZN線的N量的變化設為B時，滿足以下所示的條件。此處，值A為0時成為Z
2Te
3，值A為1時成為ZN。Z-Te-N材料的組成較佳為滿足： 通式1：X＝1.2（1－A）（0.5＋B） 通式2：Y＝A（0.5＋B） 通式3：W＝1－X－Y， 且於1/3＞A及3/4＜A時滿足-0.06≦B≦0.06，於1/3≦A≦3/4時滿足-0.06≦B及Y≦0.45。藉由使用滿足此種組成的Z-Te-N材料，可將對開關元件1施加1 V的電壓時的漏電流設為1 nA左右以下，可提高開關元件1的特性。
包含所述Z-Te-N材料的開關層4亦可進而含有選自由硼（B）、碳（C）及磷（P）所組成的群組中的至少一個元素。藉由含有該些元素（B、C、P），可提高開關層4的耐久性或耐熱性，進而亦有助於漏電流的減少。然而，若B、C、P等元素的含量過高，則有損及Z-Te-N材料原本的特性之虞。因此，Z-Te-N材料中的B、C、P的含量較佳為設為10原子%以下。
與開關層4直接或間接地接觸的電極2、電極3的構成材料並無特別限定，例如可列舉TiN膜、TiN/Ti積層膜、C/TiN/Ti積層膜、W膜、C/W/TiN積層膜等。除此以外，亦可將於各種半導體元件中用作電極的包含W合金、Cu、Cu合金、Al、Al合金等的金屬電極適用於電極2、電極3。
於形成含有Z-Te-N材料的開關層4時，例如可適用濺鍍法或蒸鍍法等。例如，可使用組成經調整的Z-Te-N靶來形成開關層4。另外，於使用包含Z-Te材料的靶來製造Z-Te膜時，亦可藉由在製膜中或製膜後暴露於氮氣環境，從而獲得Z-Te-N材料層。另外，亦可藉由將Z膜與Te膜交替積層，並且於製膜中或製膜後暴露於氮氣環境，從而獲得Z-Te-N材料層。Z-Te-N材料層的成膜方法並無特別限定。
實施形態的開關元件1中，利用具有所述組成的Z-Te-N材料或於其中添加有B、C、P等的材料來構成開關層4，並基於此種開關層4獲得良好的開關特性（基於電壓的臨限值（Vth）於高電阻狀態與低電阻狀態之間過渡的特性），並且可減少包含流向鄰接單元的潛泄電流的漏電流。因此，可提供一種特性及實用性優異的開關元件1。
再者，對本發明的若干實施形態進行了說明，但該些實施形態是作為示例而提示，並非意圖限定發明的範圍。該些新穎的實施形態能以其他各種形態實施，可於不偏離發明主旨的範圍內進行各種省略、替換、變更。這些實施形態或其變形包含於發明的範圍或主旨，並且包含於申請專利範圍所記載的發明及其均等範圍。
1:開關元件
2:第一電極
3:第二電極
4:開關層
5:電阻變化層
6:積層膜
7:電阻變化元件
BL:位元線
WL:字元線
圖1為表示實施形態的開關元件的基本構成的剖面圖。
圖2為表示使用實施形態的開關元件的電阻變化元件的基本構成的剖面圖。 圖3為表示圖2所示的電阻變化元件的立體圖。 圖4為表示用於實施形態的開關元件的Al-Te-N材料的三元系相圖中的同極鍵比率的圖。 圖5為表示使圖4所示的三元系相圖上的Al-Te-N化合物的氮量變化時的漏電流的圖。 圖6為表示用於實施形態的開關元件的Z-Te-N化合物的三元系相圖中的組成範圍的圖。
Claims (5)
- 一種開關元件，包括：第一電極；第二電極；以及開關層，配置於所述第一電極與所述第二電極之間， 所述開關層包含含有第一陽離子元素Z、碲及氮的材料， 所述材料具有下述組成：含有分別為5原子%以上的所述第一陽離子元素Z、碲及氮，並且於將碲的原子比設為X，將氮的原子比設為Y，將所述第一陽離子元素Z的原子比設為W，將所述第一陽離子元素Z、碲及氮的三元系相圖中連結所述第一陽離子元素Z和碲的化合物、與所述第一陽離子元素Z的氮化物的直線上的Z 2Te 3與ZN的比率設為A，將所述三元系相圖中自連結所述Z 2Te 3與ZN的直線的氮的原子比的變化量設為B時，滿足： 通式1：X＝1.2（1－A）（0.5＋B） 通式2：Y＝A（0.5＋B） 通式3：W＝1-X-Y， 且於1/3＞A及3/4＜A時滿足-0.06≦B≦0.06，於1/3≦A≦3/4時滿足-0.06≦B及Y≦0.45。
- 如請求項1所述的開關元件，其中所述第一陽離子元素Z包含選自由鋁、鎵、銦、銻及鉍所組成的群組中的至少一個。
- 如請求項1所述的開關元件，其中所述第一陽離子元素Z包含鋁。
- 如請求項1所述的開關元件，其中所述材料更包含選自由硼、碳及磷所組成的群組中的至少一個。
- 如請求項1至請求項4中任一項所述的開關元件，其中所述開關層具有非晶結構。
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