JP6086097B2 - Multistage phase change material and multilevel recording phase change memory device - Google Patents
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Description
本発明は、多値記録相変化メモリ素子に適した多段相変化材料及びその材料を用いた多値記録相変化メモリ素子に関する。 The present invention relates to a multistage phase change material suitable for a multilevel recording phase change memory element and a multilevel recording phase change memory element using the material.
近年、電子機器の急速な市場拡大に伴い、Flashメモリに代わる次世代不揮発性メモリとして、磁気抵抗メモリ(MRAM:Magnetroresistive Random Access Memory)、抵抗変化メモリ(ReRAM:Resistancne Random Access Memory)、相変化メモリ(PCRAM:Phase Change Random Access Memory)などが盛んに研究開発されている。その中でも相変化メモリのメモリセルは単純な構造を有するため、製造コストや集積度の面において他のメモリに比べて優れている。 In recent years, with the rapid market expansion of electronic devices, magnetoresistive memory (MRAM: Magnetic Random Access Memory), resistance change memory (ReRAM: Resistive Random Access Memory), and phase change memory as next-generation non-volatile memories that replace Flash memories. (PCRAM: Phase Change Random Access Memory) has been actively researched and developed. Among them, the memory cell of the phase change memory has a simple structure, and is superior to other memories in terms of manufacturing cost and integration.
相変化メモリの情報記録層には相変化材料が用いられており、相変化材料のアモルファス相(高電気抵抗)と結晶相(低電気抵抗)との間の可逆的な電気抵抗変化を利用して、メモリセルに情報が記録される。 A phase change material is used for the information recording layer of the phase change memory, and reversible electrical resistance change between the amorphous phase (high electrical resistance) and the crystalline phase (low electrical resistance) of the phase change material is used. Thus, information is recorded in the memory cell.
相変化材料のアモルファス相の電気抵抗と結晶相の電気抵抗との比は102以上と大きく、記録情報の読み取りマージンが広いことも相変化メモリが他のメモリに比べて優れている特徴の一つである。 Large as the phase resistance of the amorphous phase change material and the ratio of the electric resistance of the crystalline phase is 10 2 or more, the one characteristic also to the phase change memory that read margin is wide recording information is better than other memory One.
アモルファス相の相変化材料は、結晶化温度Tx以上へ加熱することにより結晶相へ変化し、また、結晶相の相変化材料は、結晶化温度Txよりも高い融点Tm以上へ加熱後、急冷することによりアモルファス相へ変化する。 The phase change material in the amorphous phase changes to the crystal phase by heating to a temperature above the crystallization temperature Tx, and the phase change material in the crystal phase rapidly cools after being heated to a melting point Tm higher than the crystallization temperature Tx. It changes to an amorphous phase.
相変化メモリのメモリセルの相変化には、相変化材料への電流・電圧の印可により発生するジュール熱が用いられる。例えば、相変化材料を融点Tm以上にジュール加熱して高電気抵抗のアモルファス相とすることによりメモリセルをリセット状態[1]とし、また、相変化材料を結晶化温度Tx以上かつ融点Tm未満にジュール加熱して低電気抵抗の結晶相とすることによりメモリセルをセット状態[0]とする。この[1]と[0]の違いを利用して情報がメモリセルに記録される。 For the phase change of the memory cell of the phase change memory, Joule heat generated by applying current / voltage to the phase change material is used. For example, the memory cell is brought into the reset state [1] by Joule heating the phase change material to a melting point Tm or higher to form an amorphous phase having a high electrical resistance, and the phase change material is set to a crystallization temperature Tx or higher and a melting point Tx. The memory cell is set to a set state [0] by Joule heating to less than m to form a crystal phase with low electrical resistance. Information is recorded in the memory cell using the difference between [1] and [0].
現在、相変化メモリ用相変化材料としては、DVD−RAM(Digital Versatile Disk−Random Access Memory)といった光ディスクに用いられているGe2Sb2Te5(GST)が広く検討されている(例えば非特許文献1、2参照)。
Currently, Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST) used for optical disks such as DVD-RAM (Digital Versatile Disk-Random Access Memory) is widely studied as a phase change material for phase change memory (eg, non-patented).
一方、メモリデバイスの高性能化に伴い、相変化メモリの更なる大容量化が求められている。大容量化を可能にする技術の一つとして、多値記録技術が挙げられる(例えば非特許文献3参照)。一般には、電気抵抗の異なる二つの状態(リセット状態、セット状態)をそれぞれ1、0とし1ビットの情報をメモリセルに書き込む。しかし、多値記録では、電気抵抗の異なる二より多い複数の状態を相変化材料に持たせることで、同じメモリセルサイズにもかかわらず相変化メモリの記録容量を増やすことが可能になる。一つのセルに2ビットを書き込むためには11、10、01、00という22=4の状態が必要になり、一つのセルにnビットの情報を書き込むためには2nの状態が必要になる。
On the other hand, with an increase in performance of memory devices, further increase in capacity of phase change memory is required. As one of the technologies that make it possible to increase the capacity, there is a multi-value recording technology (see Non-Patent
また、メモリセルデバイスには繰り返し書き換え可能な回数が多いことも求められる。相変化メモリによる繰り返し故障の主な原因は、メモリセルの相変化材料と電極材料との間での剥離や空隙の形成であると考えられている(非特許文献3参照)。GeSbTe化合物のアモルファス相と結晶相とは体積の相違が8%ほどあるため、相変化を繰り返すことにより相変化材料の界面に応力が蓄積され故障へとつながる(非特許文献参照4)。そのため、繰り返し書き換え可能な回数を多くするためには、アモルファス相と結晶相との間での体積の相違が小さいことが望ましい。 In addition, the memory cell device is also required to have a large number of rewrites. It is considered that the main cause of repeated failure due to the phase change memory is peeling or formation of voids between the phase change material of the memory cell and the electrode material (see Non-Patent Document 3). Since there is a volume difference of about 8% between the amorphous phase and the crystalline phase of the GeSbTe compound, stress is accumulated at the interface of the phase change material by repeating the phase change, leading to failure (see Non-Patent Document 4). Therefore, in order to increase the number of times that rewriting can be repeated, it is desirable that the volume difference between the amorphous phase and the crystalline phase is small.
特許文献1には、一つのメモリセルに多値の情報を記録する技術が開示されている。この特許文献1では、広い可変範囲の電気抵抗値を有し、選択された電気入力信号に応答して可変範囲内の複数の抵抗値のうちの一つが設定される能力が備わった記憶材料を用いると記述されている。しかしながら、一つの記憶材料の相状態を段階的に制御することは、結晶相とアモルファス相という二つの相状態を制御することに比べて非常に困難であり、各状態間の抵抗マージンが少なくなり、データの誤書き換えや誤読み取りの可能性が高くなる。
特許文献2では、電流パルスおよび/または電圧パルスを制御することで相変化メモリセルに所望の抵抗状態をプログラムする技術が開示されている。印可される電流および/または電圧のレベルは相変化材料内に生じる温度に相当する。そこで、温度を制御することにより、低電気抵抗を有する完全な結晶状態と高電気抵抗を有するアモルファス状態との間に中間状態を持たせることで、多値記録が実現できると記述されている。しかしながら、特許文献1と同様に、電流および/または電圧パルスによる中間状態の制御は困難であり、データの誤書き換えや誤読み取りの可能性が高くなる。
特許文献3では、複数の部分メモリ層で一つのメモリセルを形成し、複数の部分メモリ層の電気抵抗で多値の情報を記録する技術が開示されている。ただし、複数の部分メモリ層は、層幅及び層長さ(電極間距離)の少なくとも一方がそれぞれの部分メモリ層間で互いに異なるように形成されると記述されている。しかしながら、一つのメモリセルにつき複数の部分メモリ層を形成するので、多値記録用のメモリセルとしてはメモリ一つ当たりの面積が大きくなる可能性がある。
特許文献4では、積層された二層のセルアレイを用いて多値の情報を記録する技術が開示されている。ただし、多値記録は、ワード線を共有して積層された二つのセルアレイの間で同時アクセスされる二つのメモリセルのデータ状態の四つの組み合わせを利用すると記述されている。しかしながら、二つのメモリセルを用いるため、多値記憶用のセンスアンプ回路が必要になるなど制御が複雑になる。
非特許文献5では、GeTe化合物とSb2Te3化合物を交互に40層成膜することで作製した結晶−アモルファス超格子構造が開示されている。非特許文献5によれば、すべての構成層が結晶相となる状態と、すべての構成層がアモルファス相となる状態に加えて、電気パルスを制御し部分的にアモルファス相と結晶相が混在する層を形成させることで、中間抵抗状態を実現できると記述されている。しかしながら、相変化材料を多層に積層させることは製造プロセスの複雑化を招く。
Non-Patent
非特許文献6では、Ge−Sb−Se相変化材料を用いた多値記録の技術が開示されている。Ge15Sb85Se0.8アモルファス薄膜は昇温に伴い528Kと602Kで二段階の結晶化挙動を示し、この合金を用いてデバイスを作製することで、電気パルス制御による三段階の抵抗状態が得られると記述されている。しかしながら、電気抵抗が明確に二段階に変化するための組成はSe濃度が0.8%のときのみで、0%もしくは1.5%では十分な抵抗の中間状態は得られず、実現できる組成の幅が小さい。さらに、母合金であるGe15Sb85は、アモルファス相と結晶相との間の体積変化が8%程度と大きいことが報告されているため、繰り返し特性に悪影響を与える可能性が高い(例えば非特許文献7)。また、二値以上の記録を行う場合、最低でも抵抗状態は四状態必要であるので、二段階相変化材料だけでは三状態しか得られず、充分ではない。
Non-Patent
非特許文献8では、Ge1Cu2Te3とGe2Sb2Te5という異なる二種類の相変化材料を積層させることで、三段階の抵抗状態を実現させる技術が開示されている。異なる相変化材料が二種類ある場合、セルの直列抵抗はRA1+RA2、RA1+RC2、RC1+RA2、RC1+RC2の四段階が考えられる。ここで、A及びCはそれぞれアモルファス状態及び結晶状態であり、1及び2は相変化材料1及び相変化材料2であり、RA1>>RA2>>RC1≒RC2という関係が成り立つとする。これは、相変化材料の結晶相は、合金組成が変わっても電気抵抗が桁違いに変わることはないが、アモルファス相は、合金組成が変わると電気抵抗も桁違いに変わることに起因する。しかしながら、直列抵抗の場合、一般に電気抵抗が高い相変化材料の状態により全体の電気抵抗が決まってしまうため、RA1+RA2とRA1+RC2は相変化材料2の状態によらず、相変化材料1のRA1の電気抵抗によって決まってしまう。すなわちRA1+RA2≒RA1+RC2となり、両者の電気抵抗に有意な差は現れない。そのため二種類の相変化材料の組み合わせでは、電気抵抗に有意な差のある状態は三つとなる。一方で、2ビット状態を達成するには、電気抵抗の状態が四段階必要である。そこで非特許文献8では、さらにSi3.9Sb45.6Te50.5という材料を組み合わせて三層積層構造を作製すれば、四段階の抵抗状態が実現できる可能性があると報告している。しかしながら、三つの異なる材料を積層し、さらにそれらの融点、結晶化温度、電気抵抗値制御を満足させることは至難である。特に書き換え時に、望まない材料も相変化を起こしてしまえば誤書き換えにつながる。
Non-Patent
非特許文献9では、Sb50Se50とGa30Sb70という二種類の相変化材料を少なくとも六回以上交互に積層することで三段階の抵抗状態を実現する技術が開示されている。しかしながら、二つの相変化材料しか使われていないため、抵抗状態は三段階にとどまっており、さらに膜を積層して作製することは製造工程の複雑化を招く。
以上のように、これまで提案されている多値記録相変化メモリでは、1)一つの相変化材料の電気抵抗を制御する場合では、各状態の電気抵抗のマージンが低く、信頼性に乏しい、2)複数の部分メモリ層やメモリセルを用いる場合では、メモリセルあたりの回路面積が増大し、制御が複雑化する、3)二段階に抵抗が変化する合金のみを用いる場合では、四段階の抵抗状態を持たせることができない、4)三つの相変化材料を積層させる場合では、工程が複雑化し、融点、結晶化温度、電気抵抗値などの制御が困難である、といった課題があり、充分に実用化に耐えうる技術は存在しない。 As described above, in the multi-value recording phase change memory proposed so far, 1) In the case of controlling the electrical resistance of one phase change material, the margin of electrical resistance in each state is low and the reliability is poor. 2) In the case of using a plurality of partial memory layers and memory cells, the circuit area per memory cell increases and the control becomes complicated. 3) In the case of using only an alloy whose resistance changes in two stages, there are four stages. 4) When three phase change materials are laminated, there are problems such as complicated processes and difficulty in controlling melting point, crystallization temperature, electric resistance, etc. However, there is no technology that can withstand practical use.
本発明は、上述した従来の多値記録相変化メモリの問題点を改善する目的でなされたものであり、実用性に優れた多値記録相変化メモリ素子を得るために適した新規な多段相変化材料を用いた多値記録相変化メモリを提供することを課題とする。 The present invention has been made for the purpose of improving the problems of the conventional multi-value recording phase change memory described above, and is a novel multi-stage phase suitable for obtaining a multi-value recording phase change memory device having excellent practicality. It is an object to provide a multi-value recording phase change memory using a change material.
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、GeとCuとTeを含む材料においてアモルファス相が得られ、昇温とともに二段階の電気抵抗の変化が起こるとの知見を得た。そして、この材料と一段階の電気抵抗の変化を示す相変化材料とを組み合わせることで、二種類の相変化材料だけで四つの抵抗状態、すなわち2ビット多値記録が可能であることを見出した。 As a result of diligent research in view of the above object, the present inventors have obtained the knowledge that an amorphous phase is obtained in a material containing Ge, Cu and Te, and a two-stage change in electrical resistance occurs as the temperature rises. Then, by combining this material with a phase change material showing a one-step change in electric resistance, it was found that four resistance states, that is, two-bit multilevel recording can be performed with only two types of phase change materials. .
上記知見に基づき、本発明の一態様としては、温度の上昇と共に電気抵抗が一段階の変化を示す相変化材料で形成された第1の相変化層と、温度の上昇と共に電気抵抗が二段階の変化を示す上記の多段相変化材料で形成された第2の相変化層と、を備えるメモリ層を具備し、前記多段相変化材料は、一般化学式、GexCuyTe100-x-yで示される組成を有し、式中、xは18.0(at.%)以上、36.0(at.%)以下、yは16.0(at.%)以上、32.0(at.%)以下の範囲内で、45(at.%)≦x+y≦55(at.%)となるように選択される多段相変化材料であり、前記第1の相変化層の電気抵抗は、前記第2の相変化層における第1段階目の電気抵抗の変化が生じる温度よりも低い温度で一段階で変化し、前記第1の相変化層のアモルファス相の電気抵抗が、前記第2の相変化層のアモルファス相の電気抵抗よりも高い、4値(2ビット)の情報の書き込みが可能な多値記録相変化メモリ素子が提供される。 Based on the above findings, as one aspect of the present invention, the first phase change layer formed of a phase change material whose electrical resistance exhibits a one-step change with increasing temperature, and the two-step electrical resistance with increasing temperature. And a second phase change layer formed of the above-described multi-stage phase change material exhibiting a change of the above-described multi-stage phase change material, wherein the multi-stage phase change material has a general chemical formula, Ge x Cu y Te 100-xy Wherein x is 18.0 (at.%) Or more and 36.0 (at.%) Or less, y is 16.0 (at.%) Or more, 32.0 (at %) Is a multistage phase change material selected such that 45 (at.%) ≦ x + y ≦ 55 (at.%) Within the following range, and the electrical resistance of the first phase change layer is: In one stage at a temperature lower than the temperature at which the first stage electrical resistance change occurs in the second phase change layer. 4 values (2 bits) of information can be written, in which the electrical resistance of the amorphous phase of the first phase change layer is higher than the electrical resistance of the amorphous phase of the second phase change layer. A recording phase change memory element is provided.
その多値記録相変化メモリ素子において、前記相変化材料はGeTe系材料を含んでいてもよい。 In the multi-value recording phase change memory element, the phase change material may include a GeTe-based material.
本発明の他の態様としては、温度の上昇と共に電気抵抗が一段階の変化を示す相変化材料で形成された第1の相変化層と、温度の上昇と共に電気抵抗が二段階の変化を示す多段相変化材料で形成された第2の相変化層と、を備えるメモリ層を具備し、前記多段相変化材料は、一般化学式、GexCuyTe100-x-yで示される組成を有し、式中、xは18.0(at.%)以上、36.0(at.%)以下、yは16.0(at.%)以上、32.0(at.%)以下の範囲内で、45(at.%)≦x+y≦55(at.%)となるように選択される多段相変化材料であり、前記第1の相変化層の電気抵抗は、前記第2の相変化層における第1段階目の電気抵抗の変化が生じる温度と第2段階目の電気抵抗の変化が生じる温度との間の温度で電気抵抗が一段階で変化し、前記第1の相変化層のアモルファス相の電気抵抗が、前記第2の相変化層のアモルファス相の電気抵抗よりも低い、4値(2ビット)の情報の書き込みが可能な多値記録相変化メモリ素子が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a first phase change layer formed of a phase change material whose electric resistance exhibits a one-step change with increasing temperature, and a two-step change in electric resistance with increasing temperature. comprising a memory layer including a second phase change layer formed in to a multi-stage phase-change material, the composition, the multi-stage phase change material, the general formula is represented by Ge x Cu y Te 100-x -y Wherein x is 18.0 (at.%) Or more and 36.0 (at.%) Or less, and y is 16.0 (at.%) Or more and 32.0 (at.%) Or less. In the range of 45 (at.%) ≦ x + y ≦ 55 (at.%), The electrical resistance of the first phase change layer is the second phase change material. Between the temperature at which the first stage electrical resistance change occurs in the phase change layer and the temperature at which the second stage electrical resistance change occurs The electric resistance of the first phase change layer is lower than the electric resistance of the amorphous phase of the second phase change layer in four steps (2 bits). A multi-value recording phase change memory device capable of writing the information is provided.
その多値記録相変化メモリ素子において、前記相変化材料はGaSb系材料を含んでいてもよい。 In the multilevel recording phase change memory element, the phase change material may include a GaSb-based material.
その多値記録相変化メモリ素子において、前記メモリ層は、前記第1の相変化層と前記第2の相変化層との積層体であり、前記積層体は前記メモリ層に通電するための第1の電極層と第2の電極層との間に配置されていてもよい。 In the multilevel recording phase change memory element, the memory layer is a stacked body of the first phase change layer and the second phase change layer, and the stacked body is configured to supply a current to the memory layer. You may arrange | position between 1 electrode layer and 2nd electrode layer.
その多値記録相変化メモリ素子において、前記第1の相変化層と前記第2の相変化層との間に他の電極層が配置されていてもよい。 In the multilevel recording phase change memory element, another electrode layer may be disposed between the first phase change layer and the second phase change layer.
実用性に優れた多値記録相変化メモリ素子を得るために適した新規な多段相変化材料を用いた多値記録相変化メモリ素子が提供される。 A multi-value recording phase change memory element using a novel multi-stage phase change material suitable for obtaining a multi-value recording phase change memory element excellent in practical use is provided.
本発明者らは、二段階の電気抵抗変化を示し、かつ結晶化に伴う体積変化が小さい材料を追求すべく、Ge-Cu-Te系の相変化材料において、種々の実験を行った結果、以下に示す特徴を有する材料において、本発明の目的を達成することができることを見出した。本発明者らが行った実験結果の一部を、後段で説明する図1及び図5に示している。以下、本発明の実施の形態について説明する。 As a result of conducting various experiments on a phase change material based on Ge—Cu—Te, in order to pursue a material that exhibits two-stage electric resistance change and a small volume change due to crystallization, It has been found that the object of the present invention can be achieved in a material having the following characteristics. Some of the results of experiments conducted by the present inventors are shown in FIGS. 1 and 5 described later. Embodiments of the present invention will be described below.
実施の形態に係る多段相変化材料は、二段階で電気抵抗が変化する相変化材料、すなわち二段抵抗変化型相変化材料であって、GeとCuとTeを含有し、下記の化学式、
GexCuyTe100-x-y
で表現される組成を有する。ただし、式中、xは18.0(at.%)以上、36.0(at.%)以下、yは16.0(at.%)以上、32.0(at.%)以下の範囲内で、45(at.%)≦x+y≦55(at.%)となるように選択されている。この二段抵抗変化型相変化材料GexCuyTe100-x-y(以下、単に「GeCuTe」とも記す)は、温度により電気抵抗が二段階に変化し、電気抵抗が相対的に高いアモルファス相と、電気抵抗が相対的に中位の第1の結晶相と、電気抵抗が相対的に低い第2の結晶相という三つの相状態を取ることが可能であり、三つの相状態の間での体積変化が非常に小さいという特徴を有している。
The multistage phase change material according to the embodiment is a phase change material whose electric resistance changes in two stages, that is, a two-stage resistance change type phase change material, which contains Ge, Cu, and Te, and has the following chemical formula:
Ge x Cu y Te 100-xy
It has a composition expressed by. However, in the formula, x is 18.0 (at.%) Or more and 36.0 (at.%) Or less, and y is 16.0 (at.%) Or more and 32.0 (at.%) Or less. Are selected to satisfy 45 (at.%) ≦ x + y ≦ 55 (at.%). This two-stage resistance change type phase change material Ge x Cu y Te 100-xy (hereinafter also simply referred to as “GeCuTe”) is an amorphous material whose electric resistance changes in two steps depending on the temperature and has a relatively high electric resistance. It is possible to take three phase states: a phase, a first crystalline phase having a relatively low electrical resistance, and a second crystalline phase having a relatively low electrical resistance. The volume change at is very small.
上記化学式において、Geを18.0(at.%)以上、36.0(at.%)以下の範囲内とし、Cuを16.0(at.%)以上、32.0(at.%)以下の範囲内とする理由は、この範囲よりもGeが多いか又は少ない場合、又は、この範囲よりもCuが多いか又は少ない場合には、電気抵抗が二段階に変化しないからである。言い換えると、Ge及びCuがそれぞれ上記の範囲にない場合、アモルファス相、第1の結晶相及び第2の結晶相という三つの相状態を取ることができないからである。また、Geは22.0(at.%)以上、34.0(at.%)以下の範囲内であることが好ましく、25.0(at.%)以上、32.0(at.%)以下の範囲内であることがより好ましい。また、Cuは18.0(at.%)以上、29.0(at.%)以下の範囲内であることが好ましく、21.0(at.%)以上、27.0(at.%)以下の範囲内であることがより好ましい。 In the above chemical formula, Ge is in the range of 18.0 (at.%) To 36.0 (at.%), And Cu is 16.0 (at.%) To 32.0 (at.%). The reason why it is within the following range is that the electrical resistance does not change in two steps when Ge is more or less than this range, or when Cu is more or less than this range. In other words, when Ge and Cu are not in the above ranges, the three phase states of the amorphous phase, the first crystal phase, and the second crystal phase cannot be taken. Further, Ge is preferably in the range of 22.0 (at.%) Or more and 34.0 (at.%) Or less, and is preferably 25.0 (at.%) Or more and 32.0 (at.%). More preferably within the following range. Further, Cu is preferably in the range of 18.0 (at.%) To 29.0 (at.%), Preferably 21.0 (at.%) To 27.0 (at.%). More preferably within the following range.
更に、上記化学式において、(x+y)を45(at.%)≦x+y≦55(at.%)の範囲内とする理由は、この範囲よりも(x+y)が多いか又は少ない場合には、GeCuTeが第1の結晶相や第2の結晶相が所望の結晶構造にならないからである。また、(x+y)は、47(at.%)≦x+y≦53(at.%)の範囲内であることが好ましい。 Furthermore, in the above chemical formula, the reason why (x + y) is in the range of 45 (at.%) ≦ x + y ≦ 55 (at.%) Is that when (x + y) is more or less than this range, GeCuTe This is because the first crystal phase and the second crystal phase do not have a desired crystal structure. Further, (x + y) is preferably in the range of 47 (at.%) ≦ x + y ≦ 53 (at.%).
上記範囲内において、GeCuTeが二段階の電気抵抗の変化を示し、アモルファス相、第1の結晶相及び第2の結晶相という三つの相状態を取るとき、GeCuTeにおける3つの相状態の間での体積変化は非常に小さくなる。 Within the above range, GeCuTe exhibits a two-step change in electrical resistance, and when it takes three phase states, an amorphous phase, a first crystalline phase, and a second crystalline phase, it is between the three phase states in GeCuTe. Volume change is very small.
上記のGeCuTeにおいて、アモルファス相からの第1段階目の変化で生じる第1の結晶相は、斜方晶構造を有し、結晶化温度は約240℃、電気抵抗率は約5×10-4Ωcmを示すGeCu2Te3であると考えられる。また、第2段階目の変化で生じる第2の結晶相は、菱面体晶構造を有し、結晶化温度は約320℃、電気抵抗率は約4×10-4Ωcmを示すGeTeであると考えられる。 In the above-mentioned GeCuTe, the first crystal phase generated by the first stage change from the amorphous phase has an orthorhombic structure, the crystallization temperature is about 240 ° C., and the electric resistivity is about 5 × 10 −4. It is considered to be GeCu 2 Te 3 exhibiting Ωcm. Further, the second crystal phase generated by the change in the second stage is GeTe having a rhombohedral structure, a crystallization temperature of about 320 ° C., and an electric resistivity of about 4 × 10 −4 Ωcm. Conceivable.
上記のGeCuTeは、例えば、単独で3値の情報の書き込みが可能な多値記録相変化メモリ素子のメモリ層の材料に適用することはできる。しかし、4値(2ビット)の情報の書き込みが可能な多値記録相変化メモリ素子のメモリ層の材料に適用する場合には、1値分の情報を書き込む材料が不足である。したがって、上記GeCuTeに、1値分の情報を書き込む相変化材料を組み合わせて対応する。 The above-mentioned GeCuTe can be applied to, for example, a material of a memory layer of a multi-value recording phase change memory element capable of writing ternary information alone. However, when applied to the material of the memory layer of the multi-value recording phase change memory element capable of writing quaternary (2-bit) information, the material for writing information for one value is insufficient. Therefore, the GeCuTe is combined with a phase change material for writing information for one value.
すなわち、実施の形態に係る多値記録相変化メモリ素子は、温度の上昇と共に電気抵抗が一段階の変化を示す相変化材料、すなわち一段抵抗変化型相変化材料で形成された第1の相変化層と、温度の上昇と共に電気抵抗が二段階の変化を示す上述の多段相変化材料、すなわち二段抵抗変化型相変化材料で形成された第2の相変化層と、を備えるメモリ層を具備している。ここで、第1の相変化層の電気抵抗は、第2の相変化層における第1段階目の電気抵抗の変化が生じる温度よりも低い温度で一段階で変化する。また、第1の相変化層のアモルファス相の電気抵抗が、第2の相変化層のアモルファス相の電気抵抗よりも高い。この多値記録相変化メモリ素子は、4値(2ビット)の情報の書き込みが可能である。 That is, the multi-value recording phase change memory element according to the embodiment includes the first phase change formed of a phase change material whose electric resistance exhibits a one-step change with increasing temperature, that is, a one-step resistance change type phase change material. A memory layer comprising: a layer; and a second phase change layer formed of the above-described multi-stage phase change material exhibiting a two-stage change in electric resistance with increasing temperature, that is, a two-stage resistance change type phase change material. doing. Here, the electrical resistance of the first phase change layer changes in one stage at a temperature lower than the temperature at which the first stage electrical resistance change occurs in the second phase change layer. The electrical resistance of the amorphous phase of the first phase change layer is higher than the electrical resistance of the amorphous phase of the second phase change layer. This multi-value recording phase change memory element can write four-value (2-bit) information.
このように、第2の相変化層の二段抵抗変化型相変化材料GeCuTeと組み合わせる第1の相変化層の一段抵抗変化型相変化材料としては、二段抵抗変化型相変化材料と比較して、結晶化温度が低く、かつアモルファス相の電気抵抗が高い材料を選択する。その理由は、一段抵抗変化型相変化材料の結晶化温度が二段抵抗変化型相変化材料の結晶化温度と同程度以上の場合、メモリ層へ結晶化パルスを印可したときに二つの材料が同時に結晶化してしまい、四段階の電気抵抗の状態が得られなくなるためである。更に、一段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗が二段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗と同程度の場合、一段抵抗変化型相変化材料が結晶化しても、二段抵抗変化型相変化材料がアモルファス相の状態であれば、一番抵抗が高い状態と二番目に抵抗が高い状態の差が小さくなり、四つの電気抵抗の状態が得られなくなるためである。このような特性を有する一段抵抗変化型相変化材料としては、特に制限はないが、GeTe系材料を含むことが好ましく、GeTeを含むことがより好ましい。GeTeの組成は、Ge:Teが厳密に1:1である必要はなく、±5%程度の誤差を有していてもよい。 Thus, the first phase change layer combined with the two-stage resistance change type phase change material GeCuTe of the second phase change layer is compared with the two-stage resistance change type phase change material. Thus, a material having a low crystallization temperature and a high electric resistance of the amorphous phase is selected. The reason for this is that when the crystallization temperature of the one-stage resistance change type phase change material is equal to or higher than the crystallization temperature of the two-stage resistance change type phase change material, the two materials are not applied when a crystallization pulse is applied to the memory layer. This is because crystallization occurs at the same time, and a four-stage electrical resistance state cannot be obtained. Further, when the electrical resistance of the amorphous phase of the one-stage resistance change type phase change material is approximately the same as the electrical resistance of the amorphous phase of the two-stage resistance change type phase change material, even if the first stage resistance change type phase change material is crystallized, This is because if the step resistance change type phase change material is in an amorphous phase, the difference between the state with the highest resistance and the state with the second highest resistance becomes small, and four states of electrical resistance cannot be obtained. Although there is no restriction | limiting in particular as a 1 step | paragraph resistance change type | mold phase change material which has such a characteristic, It is preferable that GeTe type material is included, and it is more preferable that GeTe is included. The composition of GeTe is not necessarily exactly 1: 1, and Ge: Te may have an error of about ± 5%.
また、実施の形態に係る多値記録相変化メモリ素子は、温度の上昇と共に電気抵抗が一段階の変化を示す相変化材料、すなわち一段抵抗変化型相変化材料で形成された第1の相変化層と、温度の上昇と共に電気抵抗が二段階の変化を示す上述の多段相変化材料、すなわち二段抵抗変化型相変化材料で形成された第2の相変化層と、を備えるメモリ層を具備している。ここで、第1の相変化層の電気抵抗は、第2の相変化層における第1段階目の電気抵抗の変化が生じる温度と第2段階目の電気抵抗の変化が生じる温度との間の温度で電気抵抗が一段階で変化する。また、第1の相変化層のアモルファス相の電気抵抗が、第2の相変化層のアモルファス相の電気抵抗よりも低い。この多値記録相変化メモリ素子は、4値(2ビット)の情報の書き込みが可能である。 In addition, the multi-value recording phase change memory element according to the embodiment includes a first phase change formed of a phase change material whose electric resistance exhibits a one-step change with increasing temperature, that is, a one-step resistance change type phase change material. A memory layer comprising: a layer; and a second phase change layer formed of the above-described multi-stage phase change material exhibiting a two-stage change in electric resistance with increasing temperature, that is, a two-stage resistance change type phase change material. doing. Here, the electrical resistance of the first phase change layer is between the temperature at which the first stage electrical resistance change occurs in the second phase change layer and the temperature at which the second stage electrical resistance change occurs. The electrical resistance changes in one step with temperature. The electrical resistance of the amorphous phase of the first phase change layer is lower than the electrical resistance of the amorphous phase of the second phase change layer. This multi-value recording phase change memory element can write four-value (2-bit) information.
このように、第2の相変化層の二段抵抗変化型相変化材料GeCuTeと組み合わせる第1の相変化層の一段抵抗変化型相変化材料としては、一段抵抗変化型相変化材料の結晶化温度が、二段抵抗変化型相変化材料の第1結晶化温度と第2結晶化温度との間の範囲にあり、かつ一段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗が二段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗よりも低い材料を選択する。その理由は、一段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗が二段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗よりも低い場合、一段抵抗変化型相変化材料の結晶化温度が最も高いと、二段抵抗変化型相変化材料が第1の結晶相の状態であるか第2の結晶相の状態であるかに関係なく、一段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗で全体の抵抗が決まってしまい、四段階の抵抗状態が得られなくなるためである。更に、一段抵抗変化型相変化材料の結晶化温度が最も低いと、一段抵抗変化型相変化材料がアモルファス相であるか結晶相であるかに関係なく、二段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗で全体の抵抗が決まってしまい、四つの電気抵抗の状態が得られなくなるためである。このような特性を有する一段抵抗変化型相変化材料としては、特に制限はないが、GaSb系材料を含むことが好ましく、Ga24Sb76を含むことがより好ましい。GeSbの組成は、Ge:Sbが厳密に24:76である必要はなく、±5%程度の誤差を有していてもよい。 As described above, the one-stage resistance change-type phase change material of the first phase change layer combined with the two-stage resistance change-type phase change material GeCuTe of the second phase change layer includes the crystallization temperature of the one-stage resistance change-type phase change material. Is in the range between the first crystallization temperature and the second crystallization temperature of the two-stage resistance change type phase change material, and the electric resistance of the amorphous phase of the one-stage resistance change type phase change material is the two-stage resistance change type. A material is selected that is lower than the electrical resistance of the amorphous phase of the phase change material. The reason for this is that when the electric resistance of the amorphous phase of the one-step resistance change type phase change material is lower than the electric resistance of the amorphous phase of the two-step resistance change type phase change material, the crystallization temperature of the one-step resistance change type phase change material is the highest. If it is high, the electric resistance of the amorphous phase of the one-stage resistance change type phase change material is not related to whether the two-stage resistance change type phase change material is in the state of the first crystal phase or the second crystal phase. This is because the overall resistance is determined and a four-stage resistance state cannot be obtained. Further, when the crystallization temperature of the one-step resistance change type phase change material is the lowest, the amorphous of the two-step resistance change type phase change material is used regardless of whether the one-step resistance change type phase change material is an amorphous phase or a crystalline phase. This is because the overall resistance is determined by the electrical resistance of the phases, and the four electrical resistance states cannot be obtained. The stage variable-resistance phase change material having such properties is not particularly limited, preferably includes a GaSb-based materials, and more preferably contains Ga 24 Sb 76. The composition of GeSb does not need to be exactly 24:76 for Ge: Sb, and may have an error of about ± 5%.
上記の多値記録相変化メモリ素子では、メモリ層は、第2の相変化層と第1の相変化層との積層体であってもよい。積層体は、基板上に設けられ、メモリ層に通電するための第1の電極層と第2の電極層との間に配置されていてもよい。具体的には、多値記録相変化メモリ素子は、基板(絶縁層を有してもよい)上に形成された第1の相変化層と、第1の相変化層上に形成された第2の相変化層と、第1の相変化層の端及び第2の相変化層の端にそれぞれ形成された第1電極層及び第2の電極層とを含み、第1の相変化層と第2の相変化層の露出部分が絶縁層により覆われていることが好ましい。絶縁層としては、SiO2、ZnS-SiO2、Si3N4などが例示される。二つの電極層としては、W、TiN、Al、Cuなどが例示される。なお、第1の相変化層と第2の相変化層の位置関係は逆であってもよい。
In the multilevel recording phase change memory element described above, the memory layer may be a stacked body of a second phase change layer and a first phase change layer. The stacked body may be provided on the substrate and disposed between the first electrode layer and the second electrode layer for energizing the memory layer. Specifically, the multi-value recording phase change memory element includes a first phase change layer formed on a substrate (which may have an insulating layer) and a first phase change layer formed on the first phase change layer. Two phase change layers; a first electrode layer and a second electrode layer formed at an end of the first phase change layer and an end of the second phase change layer, respectively; The exposed portion of the second phase change layer is preferably covered with an insulating layer. As the insulating layer, such as SiO 2, ZnS-SiO 2, Si 3
更に、上記の多値記録相変化メモリ素子では、第2の相変化層と第1の相変化層との間に他の電極層が配置されていてもよい。具体的には、上記多値記録相変化メモリ素子に、更に、第1の電極層と第1の相変化層との間、及び、第1の相変化層と第2の相変化層との間に発熱性電極層があることが好ましい。発熱性電極層としては、W、TiWのような金属、TiNのような窒化物、及び酸化物などが挙げられる。第1の相変化層と第2の相変化層の露出部は絶縁層により覆われている。なお、第1の相変化層と第2の相変化層の位置関係は逆であってもよい。 Furthermore, in the above multilevel recording phase change memory element, another electrode layer may be disposed between the second phase change layer and the first phase change layer. Specifically, the multi-value recording phase change memory element is further provided between the first electrode layer and the first phase change layer, and between the first phase change layer and the second phase change layer. There is preferably an exothermic electrode layer between them. Examples of the exothermic electrode layer include metals such as W and TiW, nitrides such as TiN, and oxides. The exposed portions of the first phase change layer and the second phase change layer are covered with an insulating layer. Note that the positional relationship between the first phase change layer and the second phase change layer may be reversed.
次に、実施の形態に係る多段相変化材料すなわち二段抵抗変化型相変化材料GeCuTeの製造方法について説明する。GeCuTeの製造方法としては、Ge、Cu及びTeを含有した各種ターゲットを用いた物理蒸着法(スパッタリング等)により、各種基板上や絶縁層上に多段相変化材料を成膜する。具体的には、ターゲットに各純金属(Ge、Cu及びTe)又は各二元合金(Ge-Te合金及びCu-Te合金)を用い、多元スパッタリングにより成膜出力を変化させて各元素の濃度を調整しながら多段相変化材料を成膜する。あるいは、予め成分調整した三元合金ターゲット(Ge-Cu-Te合金)を用いてスパッタリングにより多段相変化材料を成膜する。成膜時における基板温度は、必要に応じて室温から所望の温度まで変えることができる。基板温度が作製する材料の結晶化温度よりも低い場合には、材料はアモルファス相を呈し、基板温度が結晶化温度よりも高い場合には、材料は結晶相を呈する。 Next, the manufacturing method of the multistage phase change material according to the embodiment, that is, the two-stage resistance change type phase change material GeCuTe will be described. As a manufacturing method of GeCuTe, a multistage phase change material is formed on various substrates or insulating layers by physical vapor deposition (sputtering or the like) using various targets containing Ge, Cu and Te. More specifically, each pure metal (Ge, Cu and Te) or each binary alloy (Ge-Te alloy and Cu-Te alloy) is used as a target, and the concentration of each element is varied by changing the film formation output by multi-source sputtering. A multi-stage phase change material is formed while adjusting the above. Alternatively, a multistage phase change material is formed by sputtering using a ternary alloy target (Ge—Cu—Te alloy) whose components are adjusted in advance. The substrate temperature during film formation can be changed from room temperature to a desired temperature as required. When the substrate temperature is lower than the crystallization temperature of the material to be manufactured, the material exhibits an amorphous phase, and when the substrate temperature is higher than the crystallization temperature, the material exhibits a crystalline phase.
以上説明された実施の形態の多段相変化材料は、アモルファス相と結晶相(上述の第2の結晶相)だけでなく、温度範囲で少なくとも30℃以上に亘って存在する中間の相(上述の第1の結晶相)を有し、三段階の電気抵抗の状態を示し、かつ体積変化が4%以下である。したがって、この多段相変化材料(二段抵抗変化型相変化材料)と一般的な相変化材料(一段抵抗変化型相変化材料)とを組み合わせることで、二種類しか材料を使わないにもかかわらず、四つの電気抵抗の状態を有することができ、2ビット記録が実現できる。また、体積変化が小さいため、繰り返し動作による故障が起き難く、高繰り返し書き換え回数を実現できる。その結果、この多段相変化材料を用いて実用性の高い多値記録相変化メモリ素子を構成することが可能となる。 The multi-stage phase change material of the embodiment described above includes not only the amorphous phase and the crystalline phase (the second crystalline phase described above), but also an intermediate phase (described above) that exists over at least 30 ° C. in the temperature range. The first crystal phase), showing a three-stage electrical resistance state, and the volume change is 4% or less. Therefore, by combining this multi-stage phase change material (two-stage resistance change type phase change material) and a general phase change material (single stage resistance change type phase change material), only two types of materials are used. , Four electrical resistance states can be obtained, and 2-bit recording can be realized. Further, since the volume change is small, failure due to repetitive operation hardly occurs, and a high number of rewrites can be realized. As a result, a highly practical multi-value recording phase change memory element can be configured using this multi-stage phase change material.
まず、多段相変化材料の実施例について説明する。
図1は、実施例及び比較例に係る相変化材料の組成とその物理特性を示す表である。実施例1〜3の試料は多段相変化材料すなわち二段抵抗変化型相変化材料で形成された相変化材料薄膜である。一方、比較例1〜3の試料は一般的な相変化材料すなわち一段抵抗変化型相変化材料で形成された相変化材料薄膜である。実施例1〜3及び比較例1〜3の試料は、RFスパッタリング装置を用いて、SiO2/Si基板上に200nmの膜厚で形成された。スパッタリングでは、ターゲットとしてGeTe合金及びCuTe合金を用い、各ターゲットの成膜出力を調整して、所望の組成を有する相変化材料のアモルファス相の薄膜を作製した。実施例1〜3の試料(二段抵抗変化型相変化材料)は、GexCuyTe100-x-yの組成であった。ただし、xは27.2(at.%)以上、31.4(at.%)以下、yは21.1(at.%)以上、24.3(at.%)以下、(x+y)は51.5(at.%)以上、52.5(at.%)以下の組成範囲であった。また、比較例1〜3の試料(一段抵抗変化型相変化材料)は、GeTe、Ge46.2Cu5.1Te48.7及びGe17.4Cu33.6Te49.0の組成であった。なお、各試料の組成は、走査電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法(SEM−EDS;Scanning Electron Microscopy - Energy Dispersive Spectroscopy)により測定した。
First, examples of the multistage phase change material will be described.
FIG. 1 is a table showing compositions and physical properties of phase change materials according to examples and comparative examples. The samples of Examples 1 to 3 are phase change material thin films formed of a multistage phase change material, that is, a two-stage resistance change type phase change material. On the other hand, the samples of Comparative Examples 1 to 3 are phase change material thin films formed of a general phase change material, that is, a one-step resistance change type phase change material. The samples of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were formed with a film thickness of 200 nm on a SiO 2 / Si substrate using an RF sputtering apparatus. In sputtering, a GeTe alloy and a CuTe alloy were used as targets, and the film formation output of each target was adjusted to produce an amorphous phase thin film of a phase change material having a desired composition. The samples of Examples 1 to 3 (two-stage resistance change type phase change material) had a composition of Ge x Cu y Te 100-xy . However, x is 27.2 (at.%) Or more and 31.4 (at.%) Or less, y is 21.1 (at.%) Or more and 24.3 (at.%) Or less, (x + y) is The composition range was 51.5 (at.%) Or more and 52.5 (at.%) Or less. The samples of Comparative Examples 1 to 3 (one-stage resistance change type phase change material) have compositions of GeTe, Ge 46.2 Cu 5.1 Te 48.7, and Ge 17.4 Cu 33.6 Te 49.0 . there were. The composition of each sample was measured by a scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS; Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy).
図1には、実施例1〜3及び比較例1〜3の試料の結晶化温度Tx(oC)、結晶化による体積変化(%)及び抵抗変化のタイプが示されている。ここで、結晶化温度Txについては、二端子法を用いて昇温過程(昇温速度:10oC/分)における電気抵抗を測定し、電気抵抗が急激な低下を開始する温度とした。体積変化については、原子間力顕微鏡法により昇温前のアモルファス相の膜厚(tA)と昇温、冷却後の結晶相の膜厚(tC)を測定し、((tC/tA)-1)×100(%)から求めた。抵抗変化のタイプについては、昇温過程における電気抵抗の変化の挙動から判断した。 FIG. 1 shows the crystallization temperature T x ( o C), the volume change (%) due to crystallization, and the type of resistance change of the samples of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. Here, regarding the crystallization temperature Tx, the electric resistance in the temperature rising process (temperature rising rate: 10 ° C./min ) was measured using a two-terminal method, and the temperature was set to a temperature at which the electric resistance started to rapidly decrease. Regarding the volume change, the film thickness (t A ) of the amorphous phase before temperature increase and the film thickness (t C ) of the crystal phase after temperature increase and cooling are measured by atomic force microscopy, and ((t C / t A ) -1) x 100 (%). The type of resistance change was judged from the behavior of the electrical resistance change during the temperature rising process.
図1に示されるように、比較例1〜3の相変化材料薄膜は一段階の電気抵抗の変化、すなわちアモルファス相から結晶相への変化を示したのに対して、実施例1〜3の相変化材料薄膜は二段階の電気抵抗の変化、すなわちアモルファス相から第1の結晶相への変化及び第1の結晶相から第2の結晶相への変化を示した。言い換えると、比較例1〜3の相変化材料薄膜の結晶化温度は一つであるのに対して、実施例1〜3の相変化材料薄膜の結晶化温度は二つであった。以下、比較例1及び実施例2、3を例に具体的に説明する。 As shown in FIG. 1, the phase change material thin films of Comparative Examples 1 to 3 showed a one-step change in electrical resistance, that is, a change from an amorphous phase to a crystalline phase. The phase change material thin film exhibited a two-step change in electrical resistance, ie, a change from the amorphous phase to the first crystal phase and a change from the first crystal phase to the second crystal phase. In other words, the phase change material thin films of Comparative Examples 1 to 3 had one crystallization temperature, whereas the phase change material thin films of Examples 1 to 3 had two crystallization temperatures. Hereinafter, the comparative example 1 and examples 2 and 3 will be described in detail.
図2Aは、比較例1及び実施例2の相変化材料薄膜について、二端子法にて得られた昇温・降温時における電気抵抗の変化を示す。ただし、縦軸及び横軸はそれぞれ電気抵抗(Ω)及び温度(℃)を示し、曲線M1及びM2はそれぞれ比較例1及び実施例2の相変化材料薄膜を示す。図2Aに示されるように、比較例1の相変化材料薄膜(曲線M1)は、アモルファス相の電気抵抗が非常に高いが、結晶化が起きたと考えられる結晶化温度Txにおいて電気抵抗が急激に減少した。このように比較例1の相変化材料薄膜は、一段階で電気抵抗が変化したが、結晶化後の降温過程において電気抵抗は殆ど変化しなかった。一方、実施例2の相変化材料薄膜(曲線M2)は、最初の結晶化、すなわち第1の結晶化が起きたと考えられる第1結晶化温度Tx1において電気抵抗が急激に減少したが、完全には減少し切らなかった。その後、更に昇温を行うと、次の結晶化、すなわち第2の結晶化が起きたと考えられる第2結晶化温度Tx2において再び電気抵抗が急激に減少した。そして完全に結晶化した後の結晶相の電気抵抗は、比較例1の相変化材料薄膜と実施例2の相変化材料薄膜とで殆ど変わりなかった。このように電気抵抗の昇温中における変化から、電気抵抗、すなわち結晶構造の一段階又は二段階の変化、及び、その変化が起きる温度、すなわち結晶化温度Txがわかる。したがって、この結果に基づいて、図1の抵抗変化のタイプ及び結晶化温度を判断した。図2Aの例では、比較例1の相変化材料薄膜については、曲線M1より、結晶化温度Txは188℃であり、抵抗変化のタイプは一段階であった。一方、実施例2の相変化材料薄膜については、曲線M2より、結晶化温度Txは第1結晶化温度Tx−1が238℃、第2結晶化温度Tx−2が320℃であり、抵抗変化のタイプは二段階であった。 FIG. 2A shows changes in electrical resistance at the time of temperature increase / decrease obtained by the two-terminal method for the phase change material thin films of Comparative Example 1 and Example 2. However, the vertical axis and the horizontal axis indicate electric resistance (Ω) and temperature (° C.), respectively, and the curves M1 and M2 indicate the phase change material thin films of Comparative Example 1 and Example 2, respectively. As shown in FIG. 2A, the phase change material thin film (curve M1) of Comparative Example 1 has an extremely high electric resistance in the amorphous phase, but the electric resistance sharply increases at the crystallization temperature Tx at which crystallization is considered to have occurred. Diminished. Thus, although the electrical resistance of the phase change material thin film of Comparative Example 1 changed in one stage, the electrical resistance hardly changed during the temperature lowering process after crystallization. On the other hand, in the phase change material thin film (curve M2) of Example 2, the electrical resistance sharply decreased at the first crystallization temperature T x1 at which the first crystallization, that is, the first crystallization was considered to occur, It did not go down. Thereafter, when the temperature was further increased, the electric resistance suddenly decreased again at the second crystallization temperature T x2 at which the next crystallization, that is, the second crystallization was considered to have occurred. The electrical resistance of the crystal phase after complete crystallization hardly changed between the phase change material thin film of Comparative Example 1 and the phase change material thin film of Example 2. Thus, from the change during the temperature rise of the electrical resistance, the electrical resistance, that is, the change in one or two stages of the crystal structure, and the temperature at which the change occurs, that is, the crystallization temperature T x can be known. Therefore, based on this result, the type of resistance change and the crystallization temperature in FIG. 1 were determined. In the example of FIG. 2A, for the phase change material thin film of Comparative Example 1, the crystallization temperature T x was 188 ° C. from the curve M1, and the type of resistance change was one stage. On the other hand, for the phase change material thin film of Example 2, from curve M2, the crystallization temperature T x is 238 ° C. for the first crystallization temperature T x-1 and 320 ° C. for the second crystallization temperature T x-2 . The type of resistance change was two-stage.
図2Bは、実施例3の相変化材料薄膜について、二端子法にて得られた昇温・降温時における電気抵抗変化を示す。ただし、縦軸及び横軸は図2Aと同様である。曲線M3は実施例3の相変化材料薄膜を示す。図2Bに示されるように、実施例3の相変化材料薄膜(曲線M3)では、第1結晶化温度Tx−1が225℃、第2結晶化温度Tx−2が318℃であり、抵抗変化のタイプは二段階であった。また、第1結晶化温度Tx−1以上、第2結晶化温度Tx−2以下の温度まで昇温した後、すなわち第1の結晶化の後に降温すると、第1の結晶化での電気抵抗がそのまま維持されて、室温まで殆ど変わらなかった。同様に、第2結晶化温度Tx−2以上の温度まで昇温した後、すなわち第2の結晶化の後に降温すると、第2の結晶化での電気抵抗がそのまま維持されて、室温まで殆ど変わらなかった。そして、第1の結晶化の後の電気抵抗と第2の結晶化の後の電気抵抗とは室温において1桁以上異なることから、これらの状態はデータを読み取るための充分な差を有していることが分かった。 FIG. 2B shows a change in electrical resistance at the time of temperature increase / decrease obtained by the two-terminal method for the phase change material thin film of Example 3. However, the vertical and horizontal axes are the same as in FIG. 2A. Curve M3 shows the phase change material thin film of Example 3. As shown in FIG. 2B, in the phase change material thin film (curve M3) of Example 3, the first crystallization temperature T x-1 is 225 ° C., the second crystallization temperature T x-2 is 318 ° C., There were two types of resistance change. In addition, when the temperature is raised to a temperature not lower than the first crystallization temperature T x-1 and not higher than the second crystallization temperature T x-2 , that is, after the temperature is lowered after the first crystallization, the electricity in the first crystallization is obtained. The resistance was maintained as it was and remained almost unchanged up to room temperature. Similarly, when the temperature is raised to a temperature equal to or higher than the second crystallization temperature T x−2 , that is, after the second crystallization, the electric resistance in the second crystallization is maintained as it is, and the temperature almost reaches room temperature. It didn't change. Since the electric resistance after the first crystallization and the electric resistance after the second crystallization are different by one digit or more at room temperature, these states have a sufficient difference for reading data. I found out.
なお、上記の図2Aや図2Bの場合と同様にして、比較例2及び比較例3の相変化材料薄膜では、結晶化温度Txは226℃及び223℃であり、抵抗変化のタイプは一段階であった。また、実施例1の相変化材料薄膜では、第1結晶化温度Tx−1が240℃、第2結晶化温度Tx−2が321℃であり、抵抗変化のタイプは二段階であった。 2A and 2B, in the phase change material thin films of Comparative Example 2 and Comparative Example 3, the crystallization temperatures Tx are 226 ° C. and 223 ° C., and the resistance change type is one. It was a stage. In the phase change material thin film of Example 1, the first crystallization temperature T x-1 was 240 ° C., the second crystallization temperature T x-2 was 321 ° C., and the resistance change type was two-stage. .
また、図1に示されるように、比較例1〜3の相変化材料薄膜はアモルファス相から結晶相への相変化で大きな体積変化を示したのに対して、実施例1〜3の相変化材料薄膜はアモルファス相から結晶相への相変化で非常に小さな体積変化を示した。以下、比較例1、2及び実施例2、3を例に具体的に説明する。 Further, as shown in FIG. 1, the phase change material thin films of Comparative Examples 1 to 3 showed a large volume change due to the phase change from the amorphous phase to the crystal phase, whereas the phase changes of Examples 1 to 3 The material thin film showed a very small volume change due to the phase change from the amorphous phase to the crystalline phase. Hereinafter, Comparative Examples 1 and 2 and Examples 2 and 3 will be described in detail.
図3Aは、比較例2の相変化材料薄膜のアモルファス相と結晶相との間の膜厚変化を示す。縦軸は相変化材料薄膜の厚さ(nm)を示し、厚さが0nmの領域は基板表面であり、相変化材料薄膜がない部分である。横軸は測定装置内の距離を示し、相変化材料薄膜の体積変化には無関係な量である。Aはアモルファス相の測定結果を示し、Cは結晶相の測定結果を示す。比較例2の相変化材料薄膜は、一段抵抗変化型相変化材料で形成されており、アモルファス相(A)から結晶化して結晶相(C)になることで厚さが数十nm減少した。すなわちアモルファス相から結晶化して結晶相になることで体積が減少した。 FIG. 3A shows the film thickness change between the amorphous phase and the crystal phase of the phase change material thin film of Comparative Example 2. The vertical axis represents the thickness (nm) of the phase change material thin film, and the region having a thickness of 0 nm is the surface of the substrate and is the portion without the phase change material thin film. The horizontal axis indicates the distance in the measuring apparatus, and is an amount that is unrelated to the volume change of the phase change material thin film. A shows the measurement result of the amorphous phase, and C shows the measurement result of the crystal phase. The phase change material thin film of Comparative Example 2 was formed of a one-step resistance change type phase change material, and the thickness was reduced by several tens of nm by crystallization from the amorphous phase (A) to the crystal phase (C). That is, the volume was reduced by crystallization from the amorphous phase to the crystalline phase.
一方、図3Bは、実施例3の相変化材料薄膜のアモルファス相と結晶相との間の膜厚変化を示す。縦軸及び横軸並びにA及びCは図3Aと同様である。実施例3の相変化材料薄膜は、二段抵抗変化型相変化材料で形成されており、アモルファス相(A)から結晶化(第2の結晶化)して結晶相(C)になっても厚さがほとんど変化しなかった。すなわちアモルファス相の体積と結晶相の体積とで大きな違いがなかった。 On the other hand, FIG. 3B shows the film thickness change between the amorphous phase and the crystal phase of the phase change material thin film of Example 3. The vertical and horizontal axes and A and C are the same as in FIG. 3A. The phase change material thin film of Example 3 is formed of a two-stage resistance change type phase change material. Even if the amorphous phase (A) is crystallized (second crystallization) to become a crystalline phase (C). The thickness hardly changed. That is, there was no significant difference between the volume of the amorphous phase and the volume of the crystal phase.
図3Cは、比較例1と実施例2の相変化材料薄膜の結晶化前後における体積変化を示す。体積変化は図3A及び図3Bと同様にして計測した。比較例1の相変化材料薄膜は、一段階抵抗変化を示すので、アモルファス相と350℃加熱処理した後の結晶相との間で体積を比較したところ、結晶化により体積が7.8%減少した。一方、実施例2の相変化材料薄膜は、二段階抵抗変化を示すので、アモルファス相と300℃加熱処理した第1の結晶相との間、及び、アモルファス相と350℃加熱処理した第2の結晶相との間でそれぞれ体積を比較したところ、第1の結晶化により体積が3.2%増加し、第2の結晶化により体積が0.6%増加した。以上の結果から、一段抵抗変化型相変化材料では体積変化が大きいが、二段抵抗変化型相変化材料では体積変化が非常に小さいことが分った。それゆえ、二段抵抗変化型相変化材料は長期繰返し書換えが可能であることが判明した。 FIG. 3C shows the volume change before and after the crystallization of the phase change material thin film of Comparative Example 1 and Example 2. The volume change was measured in the same manner as in FIGS. 3A and 3B. Since the phase change material thin film of Comparative Example 1 shows a one-step resistance change, when the volume was compared between the amorphous phase and the crystal phase after heat treatment at 350 ° C., the volume decreased by 7.8% due to crystallization. did. On the other hand, since the phase change material thin film of Example 2 shows a two-step resistance change, it is between the amorphous phase and the first crystal phase heat-treated at 300 ° C. and between the amorphous phase and the second heat-treated at 350 ° C. When the volume was compared with each of the crystal phases, the volume was increased by 3.2% by the first crystallization, and the volume was increased by 0.6% by the second crystallization. From the above results, it was found that the volume change was large in the one-stage resistance change type phase change material, but the volume change was very small in the two-stage resistance change type phase change material. Therefore, it was found that the two-stage resistance change type phase change material can be rewritten for a long time.
なお、上記の図3Aや図3Bの場合と同様にして、比較例2及び比較例3の相変化材料薄膜では、体積変化は8.3%の減少及び3.4%の増加で、いずれも大きかった。一方、実施例1及び実施例3の相変化材料薄膜では、体積変化は0.3%の減少及び0.9%の減少で、いずれも非常に小さかった。 As in the case of FIGS. 3A and 3B described above, in the phase change material thin films of Comparative Example 2 and Comparative Example 3, the volume change was decreased by 8.3% and increased by 3.4%. It was big. On the other hand, in the phase change material thin film of Example 1 and Example 3, the volume change was very small with a decrease of 0.3% and a decrease of 0.9%.
図4Aは、表1に基づく、Geの割合(at.%)と体積変化(%)との関係を示すグラフである。図4Aを参照すると、Geの割合と体積変化と二段階の抵抗変化とは相関があると見ることもできる。ここで、二段抵抗変化型相変化材料となるのが、体積変化が±3%程度以内と考えれば、Geの割合は18.0(at.%)以上、36.0(at.%)以下の範囲内となる。好ましくは22.0(at.%)以上、34.0(at.%)以下の範囲内となる。より好ましくは、25.0(at.%)以上、32.0(at.%)以下の範囲内となる。 4A is a graph showing the relationship between the Ge ratio (at.%) And volume change (%) based on Table 1. FIG. Referring to FIG. 4A, it can be seen that there is a correlation between the Ge ratio, volume change, and two-stage resistance change. Here, assuming that the volume change is within about ± 3%, the ratio of Ge is 18.0 (at.%) Or more and 36.0 (at.%). Within the following range. Preferably, it is in the range of 22.0 (at.%) Or more and 34.0 (at.%) Or less. More preferably, it is in the range of 25.0 (at.%) To 32.0 (at.%).
一方、図4Bは、表1に基づく、Cuの割合(at.%)と体積変化(%)との関係を示すグラフである。図4Bを参照すると、Cuの割合と体積変化と二段階の抵抗変化とは相関があると見ることもできる。ここで、二段抵抗変化型相変化材料となるのが、体積変化が±3%程度以内と考えれば、Cuの割合は16.0(at.%)以上、32.0(at.%)以下の範囲内となる。好ましくは18.0(at.%)以上、29.0(at.%)以下の範囲内となる。より好ましくは21.0(at.%)以上、27.0(at.%)以下の範囲内となる。 On the other hand, FIG. 4B is a graph showing the relationship between the Cu ratio (at.%) And the volume change (%) based on Table 1. Referring to FIG. 4B, it can be seen that there is a correlation between the Cu ratio, volume change, and two-stage resistance change. Here, assuming that the volume change is within about ± 3%, the Cu content is 16.0 (at.%) Or more and 32.0 (at.%). Within the following range. Preferably, it is in the range of 18.0 (at.%) Or more and 29.0 (at.%) Or less. More preferably, it is in the range of 21.0 (at.%) Or more and 27.0 (at.%) Or less.
まず、多値記録相変化メモリ素子に係る実施例について説明する。
図5は、二段抵抗変化型相変化材料と一段抵抗変化型相変化材料とを組み合わせたときに、多値記録が可能な材料の組み合わせの実施例及び多値記録が不可能な組み合わせの比較例を、材料の物理特性に関係付けて示す表である。それぞれ、材料の組成、アモルファス相の電気抵抗、結晶化温度、結晶相の電気抵抗、多値記録の可能性を示した。ただし、二段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗をRA2、第1結晶化温度をTx2−1、第1の結晶相の電気抵抗をRC2−1、第2結晶化温度をTx2−2、第2の結晶相の電気抵抗をRC2−2とする。また、一段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗をRA1、結晶化温度をTx1、結晶相の電気抵抗をRC1とする。実施例4〜5に示すのは多値記録が可能な組み合わせであり、比較例4〜7に示すのは多値記録が不可能な組み合わせである。
First, an embodiment according to a multi-value recording phase change memory element will be described.
FIG. 5 shows an example of a combination of materials capable of multi-value recording when a two-stage resistance change type phase change material and a one-stage resistance change type phase change material are combined, and a comparison of combinations where multi-value recording is impossible. An example is a table showing the physical properties of materials in relation to them. The composition of the material, the electrical resistance of the amorphous phase, the crystallization temperature, the electrical resistance of the crystalline phase, and the possibility of multivalue recording were shown. However, the electrical resistance of the amorphous phase of the two-stage resistance change type phase change material is R A2 , the first crystallization temperature is T x2-1 , the electrical resistance of the first crystal phase is R C2-1 , and the second crystallization temperature. the T X2-2, the electrical resistance of the second crystal phase and R C2-2. Further, the electric resistance of the amorphous phase of the one-stage resistance change type phase change material is R A1 , the crystallization temperature is T x1 , and the electric resistance of the crystal phase is R C1 . Examples 4 to 5 show combinations that allow multi-value recording, and Comparative Examples 4 to 7 show combinations that do not allow multi-value recording.
実施例4は、二段抵抗変化型相変化材料と、その二段抵抗変化型材料よりも結晶化温度が低く、かつアモルファス相の電気抵抗が最も高い一段抵抗変化型材料との組み合わせである。具体的には、Ge28.8Cu23.4Te47.8と、GeTeとの組み合わせである。その場合、二段抵抗変化型相変化材料と一段抵抗変化型相変化材料とは、例えば図2Aに示す曲線M2と曲線M1との関係を有することになる。図5の実施例4に示すように、RA1>RA2かつTx1<Tx2−1<Tx2−2の場合、「RA1+RA2」、「RC1+RA2」、「RC1+RC2−1」および「RC1+RC2−2」によって四段階の電気抵抗の状態が実現される。ただし、「RA1+RA2」>「RC1+RA2」>「RC1+RC2−1」>「RC1+RC2−2」である。ただし、一段抵抗変化型相変化材料のRA1やTX1の値は、二段抵抗変化型相変化材料のRA2、Tx2−1、Tx2−2の値に応じて、一段抵抗変化型相変化材料の組成や材料を変更することにより、適宜変更可能である。例えば、RA1やTx1の値は、GeTe系材料のGeとTeの組成比を変更することで、適宜変更可能である。 Example 4 is a combination of a two-stage resistance change type phase change material and a one-stage resistance change type material having a crystallization temperature lower than that of the two-stage resistance change type material and the highest electrical resistance of the amorphous phase. Specifically, it is a combination of Ge 28.8 Cu 23.4 Te 47.8 and GeTe. In this case, the two-stage resistance change type phase change material and the one-stage resistance change type phase change material have, for example, a relationship between a curve M2 and a curve M1 shown in FIG. 2A. As shown in Example 4 of FIG. 5, when R A1 > R A2 and T x1 <T x2-1 <T x2-2 , “R A1 + R A2 ”, “R C1 + R A2 ”, “R C1 + R” “ C2-1 ” and “R C1 + R C2-2 ” realize a four-stage electrical resistance state. However, “R A1 + R A2 ”> “R C1 + R A2 ”> “R C1 + R C2-1 ”> “R C1 + R C2-2 ”. However, the value of R A1 or T X1 of the one-stage resistance change type phase change material depends on the value of R A2 , T x2-1 , T x2-2 of the two-stage resistance change type phase change material. The phase change material can be changed as appropriate by changing the composition or material of the phase change material. For example, the values of R A1 and T x1 can be appropriately changed by changing the composition ratio of Ge and Te in the GeTe-based material.
一方、Tx1がTx2-1及びTx2-2よりも大きい、すなわち高温の場合(比較例4及び比較例5)、一段抵抗変化型相変化材料を結晶化させるために印可した電流・電圧パルスによって二段抵抗変化型相変化材料も結晶化してしまい、上記の四段階の電気抵抗の状態が実現できなくなる。そのため、RA1>RA2の場合、Tx1はTx2−1及びTx2−2よりも小さい値、すなわち低温になる必要がある(実施例4)。 On the other hand, when T x1 is larger than T x2-1 and T x2-2 , that is, when the temperature is high (Comparative Example 4 and Comparative Example 5), the current / voltage applied to crystallize the one-stage resistance change type phase change material The two-stage resistance change type phase change material is also crystallized by the pulse, and the above-described four-stage electric resistance state cannot be realized. Therefore, when R A1 > R A2 , T x1 needs to be smaller than T x2-1 and T x2-2 , that is, a low temperature (Example 4).
実施例5は、二段抵抗変化型相変化材料と、その二段抵抗変化型材料の第1結晶化温度と第2結晶化温度との間に結晶化温度があり、かつアモルファス相の電気抵抗が、二段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗よりも低い一段抵抗変化型材料との組み合わせである。具体的には、Ge28.8Cu23.4Te47.8と、Ga24Sb76との組み合わせである。その場合、二段抵抗変化型相変化材料と一段抵抗変化型相変化材料とは、例えば図6に示す曲線M2と曲線M1との関係を有することになる。ただし、図6において、縦軸及び横軸及び各符号は図2Aの場合と同様である。実施例5に示すように、RA1<RA2かつTx2−1<Tx1<Tx2−2の場合、「RA1+RA2」、「RA1+RC2−1」、「RC1+RC2−1」および「RC1+RC2−2」によって四段階の電気抵抗の状態が実現される。ただし、「RA1+RA2」>「RA1+RC2−1」>「RC1+RC2−1」>「RC1+RC2−2」である。ただし、この場合にも、一段抵抗変化型相変化材料のRA1やTx1の値は、二段抵抗変化型相変化材料のRA2、Tx2−1、Tx2−2の値に応じて、一段抵抗変化型相変化材料の組成や材料を変更することにより、適宜変更可能である。例えば、RA1やTx1の値は、GaSb系材料のGaとSbの組成比を変更することで、適宜変更可能である。 Example 5 is a two-stage variable resistance phase change material, and there is a crystallization temperature between the first crystallization temperature and the second crystallization temperature of the two-stage variable resistance material, and the electrical resistance of the amorphous phase Is a combination of a two-stage resistance change type phase change material and a one-stage resistance change type material that is lower than the electrical resistance of the amorphous phase. Specifically, it is a combination of Ge 28.8 Cu 23.4 Te 47.8 and Ga 24 Sb 76 . In this case, the two-stage resistance change type phase change material and the one-stage resistance change type phase change material have, for example, a relationship between a curve M2 and a curve M1 shown in FIG. However, in FIG. 6, the vertical axis, the horizontal axis, and the respective symbols are the same as those in FIG. 2A. As shown in Example 5, when R A1 <R A2 and T x2-1 <T x1 <T x2-2 , “R A1 + R A2 ”, “R A1 + R C2-1 ”, “R C1 + R C2” −1 ”and“ R C1 + R C2-2 ”realizes a four-stage electrical resistance state. However, it is "R A1 + R A2 ">"R A1 + R C2-1 ">"R C1 + R C2-1 ">"R C1 + R C2-2 ". However, also in this case, the values of R A1 and T x1 of the one-stage resistance change type phase change material depend on the values of R A2 , T x2-1 , and T x2-2 of the two-stage resistance change type phase change material. By changing the composition or material of the one-step resistance change type phase change material, it can be changed as appropriate. For example, the values of R A1 and T x1 can be appropriately changed by changing the composition ratio of Ga and Sb of the GaSb-based material.
一方で、RA2>RA1かつTx1>Tx2-2>Tx2-1の場合(比較例6)、四段階の電気抵抗の状態としては、「RA1+RA2」、「RA1+RC2−1」、「RA1+RC2−2」及び「RC1+RC2−2」が考えられるが、二段抵抗変化型相変化材料が第1の結晶相であろうと第2の結晶相であろうと、一段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗によって全体の電気抵抗は決まってしまうので、「RA1+RC2−1」と「RA1+RC2−2」との間に有意な電気抵抗の差は見られず、三段階の電気抵抗の状態しか得られない。同様に、RA2>RA1かつTx2-2>Tx2-1>Tx1の場合(比較例7)、四段階の電気抵抗の状態としては、「RA1+RA2」、「RC1+RA2」、「RC1+RC2−1」および「RC1+RC2−2」が考えられるが、一段抵抗変化型相変化材料がアモルファス相であろうと結晶相であろうと、二段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗によって全体の電気抵抗は決まってしまうので、「RA1+RA2」と「RC1+RA2」との間に有意な抵抗の差は見られず、三段階の電気抵抗の状態しか得られない。 On the other hand, in the case of R A2 > R A1 and T x1 > T x2-2 > T x2-1 (Comparative Example 6), the four-stage electrical resistance states are “R A1 + R A2 ”, “R A1 + R”. C2-1 ”,“ R A1 + R C2-2 ”, and“ R C1 + R C2-2 ”are conceivable, but the second crystal phase is the same regardless of whether the two-stage variable resistance phase change material is the first crystal phase. Anyway, since the overall electrical resistance is determined by the electrical resistance of the amorphous phase of the one-stage resistance change type phase change material, there is a significant difference between “R A1 + R C2-1 ” and “R A1 + R C2-2 ”. There is no difference in electrical resistance, and only three levels of electrical resistance can be obtained. Similarly, in the case of R A2 > R A1 and T x2-2 > T x2-1 > T x1 (Comparative Example 7), the four-stage electrical resistance states are “R A1 + R A2 ”, “R C1 + R”. A2 ”,“ R C1 + R C2-1 ”, and“ R C1 + R C2-2 ”are conceivable, but the two-stage resistance variable phase, whether the one-stage resistance variable phase change material is an amorphous phase or a crystalline phase. Since the overall electrical resistance is determined by the electrical resistance of the amorphous phase of the change material, there is no significant difference in resistance between “R A1 + R A2 ” and “R C1 + R A2 ”. Only the state of resistance can be obtained.
以上のことから、RA1>RA2かつTx1<Tx2-1<Tx2-2の場合(実施例4)、又は、RA1<RA2かつTx2-1<Tx1<Tx2-2の場合(実施例5)に、一段抵抗変化型相変化材料と二段抵抗変化型相変化材料の組み合わせで四段階の電気抵抗の状態が実現できることがわかる。 From the above, when R A1 > R A2 and T x1 <T x2-1 <T x2-2 (Example 4), or R A1 <R A2 and T x2-1 <T x1 <T x2 − In the case of 2 (Example 5), it can be seen that a four-stage state of electrical resistance can be realized by a combination of a one-stage resistance change type phase change material and a two-stage resistance change type phase change material.
実施例4及び実施例5に示す組み合わせの材料を用い、パルス電圧印可による相変化を調査した。図7は、本実験にて用いた多値記録相変化メモリセルの構造を示す概略断面図である。多値記録相変化メモリセルは、半導体基板1と、半導体基板1上に設けられた絶縁体層2と、絶縁体層2上に設けられた下部電極としての第1の電極層3と、第1の電極層3上に設けられた第1の相変化層5と、第1の相変化層5上に設けられた第2の相変化層6と、第1の相変化層5及び第2の相変化層6を囲むように設けられた絶縁体層4と、第2の相変化層6上に設けられた上部電極としての第2の電極層7とを備えている。
Using the combination of materials shown in Example 4 and Example 5, the phase change due to the pulse voltage application was investigated. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the multilevel recording phase change memory cell used in this experiment. The multilevel recording phase change memory cell includes a
図7に示す多値記録相変化メモリセルを以下のように製造した。まず、半導体基板1としてのSi基板上に絶縁体層2としてのSiO2が積層された基板上に、電極材料としてWの膜をスパッタリング法で成膜した。そして、Wの膜をフォトリソグラフィー法で成形することにより第1の電極層3を形成した。次に、第1の電極層3上に一段抵抗変化型相変化材料の膜及び二段抵抗変化型相変化材料の膜をスパッタリング法により合計で200nm成膜した。そして、その積層膜をフォトリソグラフィー法で成形することにより第1の相変化層5及び第2の相変化層6を形成した。ここでは、二段抵抗変化型相変化材料として、図5の実施例4又は実施例5の材料を用いた。次に、第1の相変化層5、第2の相変化層6及び第1の電極層3を覆うように絶縁体膜としてSiO2の膜を成膜した。そして、そのSiO2の膜をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法で研磨して、第2の相変化層6の頭出しを行った。それにより、第1の相変化層5及び第2の相変化層6を囲むようにSiO2の絶縁体層4が形成された。その後、第2の相変化層6及び絶縁体層4を覆うように電極材料としてWの膜をスパッタリング法で成膜した。そして、Wの膜をフォトリソグラフィー法で成形することにより第2の電極層7を形成した。なお、第1の相変化層5と第2の相変化層6とは、どちらが一段抵抗変化型相変化材料で、どちらが二段抵抗変化型相変化材料でもよい。
The multilevel recording phase change memory cell shown in FIG. 7 was manufactured as follows. First, a W film as an electrode material was formed by a sputtering method on a substrate in which SiO 2 as an insulator layer 2 was laminated on a Si substrate as a
図8Aは、第1の相変化層5及び第2の相変化層6の材料として図5の実施例4の材料を用いた場合での、パルス電圧印加実験により得られた四つの電気抵抗の状態を示す。ここで、電圧パルス幅は50μsに固定し、電圧を徐々に変化させ実験を行った。図に示すように、電圧印加に伴い四つの抵抗状態に変化し、各状態間で十分な電気抵抗の差が得られていることがわかる。ここで、(RA1)は一段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗、(RC1)は一段抵抗変化型相変化材料の結晶相の電気抵抗、(RA2)は二段抵抗変化型相変化材料のアモルファス相の電気抵抗、(RC2−1)は二段抵抗変化型相変化材料の第1の結晶相の電気抵抗、(RC2−2)は二段抵抗変化型相変化材料の第2の結晶相の電気抵抗である。
FIG. 8A shows four electric resistances obtained by the pulse voltage application experiment in the case where the material of Example 4 in FIG. 5 is used as the material of the first
一方、図8Bは、第1の相変化層5及び第2の相変化層6の材料として図5の実施例5の材料を用いた場合での、パルス電圧印加実験により得られた四つの電気抵抗の状態を示す。この場合にも、図に示すように、電圧印加に伴い四つの抵抗状態に変化し、各状態間で十分な電気抵抗の差が得られていることがわかる。
On the other hand, FIG. 8B shows four electric currents obtained by the pulse voltage application experiment in the case where the material of Example 5 in FIG. 5 is used as the material of the first
なお、多値記録相変化メモリセルの構造は、図7の実施例に限定されるものではなく、他の構造を有していてもよい。図9は、他の実施例に係る多値記録相変化メモリセルの構造を示す概略断面図である。多値記録相変化メモリセルは、半導体基板8と、半導体基板8上に設けられた絶縁体層9と、絶縁体層9上に設けられた下部電極としての第1の電極層10と、第1の電極層10上に設けられた発熱性電極層12と、発熱性電極層12上に設けられた第1の相変化層14と、第1の相変化層14上に設けられた発熱性電極層13と、発熱性電極層13上に設けられた第2の相変化層15と、発熱性電極層12、第1の相変化層14、発熱性電極層13及び第2の相変化層15を囲むように設けられた絶縁体層11と、第2の相変化層15上に設けられた上部電極としての第2の電極層16とを備えている。
The structure of the multi-value recording phase change memory cell is not limited to the embodiment of FIG. 7, and may have other structures. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a multilevel recording phase change memory cell according to another embodiment. The multilevel recording phase change memory cell includes a
本発明の多段相変化材料、すなわち二段抵抗変化型相変化材料は体積変化が小さく、一つの材料でありながら、三つの電気抵抗状態を有することができるため、例えば、一つの一段抵抗変化型相変化材料と組み合わせるだけで四段階の電気抵抗の状態を実現できる。従って、それらの相変化材料を、高信頼性、高集積度な不揮発性メモリに利用することができる。 The multistage phase change material of the present invention, that is, the two-stage resistance change type phase change material has a small volume change and can have three electrical resistance states while being a single material. A combination of phase change materials can achieve four levels of electrical resistance. Therefore, these phase change materials can be used for a highly reliable and highly integrated nonvolatile memory.
以上、本発明を実施の形態及び実施例に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態及び実施例の記載に何ら限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲における他の例、態様等を当然含むものである。 The present invention has been described above based on the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the descriptions of the above embodiments and examples, and other modifications within the scope of the technical idea of the present invention. Naturally, examples, embodiments and the like are included.
Claims (6)
温度の上昇と共に電気抵抗が二段階の変化を示す多段相変化材料で形成された第2の相変化層と、
を備えるメモリ層を具備し、
前記多段相変化材料は、
一般化学式、
GexCuyTe100-x-y
で示される組成を有し、式中、xは18.0(at.%)以上、36.0(at.%)以下、yは16.0(at.%)以上、32.0(at.%)以下の範囲内で、45(at.%)≦x+y≦55(at.%)となるように選択される多段相変化材料であり、
前記第1の相変化層の電気抵抗は、前記第2の相変化層における第1段階目の電気抵抗の変化が生じる温度よりも低い温度で一段階で変化し、
前記第1の相変化層のアモルファス相の電気抵抗が、前記第2の相変化層のアモルファス相の電気抵抗よりも高い、4値の情報の書き込みが可能な多値記録相変化メモリ素子。 A first phase change layer formed of a phase change material that exhibits a one-step change in electrical resistance with increasing temperature;
A second phase change layer formed of a multi-stage phase change material that exhibits a two-step change in electrical resistance with increasing temperature;
Comprising a memory layer comprising:
The multistage phase change material is:
General chemical formula,
Ge x Cu y Te 100-xy
Wherein x is 18.0 (at.%) Or more and 36.0 (at.%) Or less, y is 16.0 (at.%) Or more, 32.0 (at A multi-stage phase change material selected such that 45 (at.%) ≦ x + y ≦ 55 (at.%) Within the following range:
The electrical resistance of the first phase change layer changes in one stage at a temperature lower than the temperature at which the first stage electrical resistance change occurs in the second phase change layer,
A multilevel recording phase change memory element capable of writing quaternary information, wherein an amorphous phase electrical resistance of the first phase change layer is higher than an amorphous phase electrical resistance of the second phase change layer.
温度の上昇と共に電気抵抗が二段階の変化を示す多段相変化材料で形成された第2の相変化層と、
を備えるメモリ層を具備し、
前記多段相変化材料は、
一般化学式、
GexCuyTe100-x-y
で示される組成を有し、式中、xは18.0(at.%)以上、36.0(at.%)以下、yは16.0(at.%)以上、32.0(at.%)以下の範囲内で、45(at.%)≦x+y≦55(at.%)となるように選択される多段相変化材料であり、
前記第1の相変化層の電気抵抗は、前記第2の相変化層における第1段階目の電気抵抗の変化が生じる温度と第2段階目の電気抵抗の変化が生じる温度との間の温度で電気抵抗が一段階で変化し、
前記第1の相変化層のアモルファス相の電気抵抗が、前記第2の相変化層のアモルファス相の電気抵抗よりも低い、4値の情報の書き込みが可能な多値記録相変化メモリ素子。 A first phase change layer formed of a phase change material that exhibits a one-step change in electrical resistance with increasing temperature;
A second phase change layer whose electrical resistance is formed by a multi-stage phase change material shows the change in the two-step with increasing temperature,
Comprising a memory layer comprising:
The multistage phase change material is:
General chemical formula,
Ge x Cu y Te 100-xy
Wherein x is 18.0 (at.%) Or more and 36.0 (at.%) Or less, y is 16.0 (at.%) Or more, 32.0 (at A multi-stage phase change material selected such that 45 (at.%) ≦ x + y ≦ 55 (at.%) Within the following range:
The electrical resistance of the first phase change layer is a temperature between a temperature at which the first stage electrical resistance change occurs and a temperature at which the second stage electrical resistance change occurs in the second phase change layer. The electrical resistance changes in one step,
A multilevel recording phase change memory element capable of writing quaternary information, wherein the electrical resistance of the amorphous phase of the first phase change layer is lower than the electrical resistance of the amorphous phase of the second phase change layer.
前記積層体は、前記メモリ層に通電するための第1の電極層と第2の電極層との間に配置されている、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の多値記録相変化メモリ素子。 The memory layer is a laminate of the first phase change layer and the second phase change layer,
5. The multi-value recording phase according to claim 1, wherein the stacked body is disposed between a first electrode layer and a second electrode layer for energizing the memory layer. 6. Change memory element.
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