(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層と、
結晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層の上に配置され、抵抗感知メモリスタックを形成する、非晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層と、
抵抗感知メモリスタックによって隔てられた第１および第２の電極と、
前記非晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層から前記結晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層を隔てる酸素拡散バリア層とを含む、抵抗感知メモリセル。
【請求項２】
結晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層は１０〜７５ナノメートルの範囲の厚さを有し、非晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層は１〜７ナノメートルの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の抵抗感知メモリセル。
【請求項３】
第１および第２の電極は貴金属から形成される、請求項１または２に記載の抵抗感知メモリセル。
【請求項４】
酸素拡散バリア層は金属の酸素拡散バリア層である、請求項１に記載の抵抗感知メモリセル。
【請求項５】
酸素拡散バリア層は１〜１０ナノメートルの範囲の厚さを有する、請求項４に記載の抵抗感知メモリセル。
【請求項６】
酸素拡散バリア層はプラチナ層である、請求項４に記載の抵抗感知メモリセル。
【請求項７】
プラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物はＰｒ1-XＣａXＭｎＯ3を含み、式中、Ｘは０．２〜０．６の範囲にある、請求項１〜６のいずれか１項に記載の抵抗感知メモリセル。
【請求項８】
酸素拡散バリア層は導電性酸化物の酸素拡散バリア層である、請求項１に記載の抵抗感知メモリセル。
【請求項９】
不揮発性メモリセルであって、
結晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層と、
非晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層と、
非晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層から結晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層を隔て、抵抗感知メモリスタックを形成する、酸素拡散バリア層とを含み、酸素拡散バリア層は、電気バイアスがある場合には酸素イオンがそれを通り抜けるようにするものの、電気バイアスがない場合には酸素または酸素イオンがそれを通り抜けることを阻止し、前記不揮発性メモリセルはさらに、
抵抗感知メモリスタックによって隔てられた第１および第２の電極を含む、不揮発性メモリセル。
【請求項１０】
結晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層は１０〜７５ナノメートルの範囲の厚さを有し、非晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層は１〜７ナノメートルの範囲の厚さを有する、請求項９に記載の不揮発性メモリセル。
【請求項１１】
酸素拡散バリア層は１〜１０ナノメートルの範囲の厚さを有する、請求項１０に記載の不揮発性メモリセル。
【請求項１２】
第１および第２の電極は、タングステン、ニッケル、モリブデン、プラチナ、金、パラジウム、ロジウム、およびそれらの合金、混合物または組合せから形成される、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の不揮発性メモリセル。
【請求項１３】
酸素拡散バリア層は、プラチナを含む、金属の酸素拡散バリア層である、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の不揮発性メモリセル。
【請求項１４】
プラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物はＰｒ1-XＣａXＭｎＯ3を含み、式中、Ｘ
は０．２〜０．６の範囲にある、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の不揮発性メモリセル。
【請求項１５】
酸素拡散バリア層は、ＩｒＯ、ＲｕＯ、ＳｒＲｕＯ3、ランタン・カルシウム・マンガ
ン酸化物、またはそれらの組み合わせを含む、導電性酸化物の酸素拡散バリア層である、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の不揮発性メモリセル。
【請求項１６】
第１の電極の上に結晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層を堆積させるステップと、
結晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層の上に非晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層を堆積させるステップと、
非晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層の上に第２の電極を堆積させ、抵抗感知メモリセルを形成するステップと、
前記結晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層と前記非晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物の層との間に酸素拡散バリア層を堆積させるステップとを含む、方法。
【請求項１７】
結晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物は、少なくとも摂氏４００度の温度で堆積される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
非晶質のプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物は、摂氏４００度未満の温度で堆積される、請求項１６または１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
背景
普及するコンピュータおよび携帯／通信業界の急成長は、大容量の不揮発性固体データ記憶装置に対する爆発的な需要を生み出してきた。電子がトンネルするフローティングゲートを利用する、フラッシュメモリなどの現在の技術は、遅いアクセス速度、限られた耐久性、および集積しにくさといったいくつかの欠点を有する。フラッシュメモリ（ＮＡＮＤまたはＮＯＲ）はまた、著しいスケーリングの問題にも直面している。
【０００２】
抵抗感知メモリは、データビットを高抵抗状態または低抵抗状態のいずれかとして記憶することにより、将来の不揮発性および汎用メモリの有望な候補である。そのようなメモリの１つである抵抗ＲＡＭ（ＲＲＡＭ（登録商標））は、電流または電圧の印加によって（たとえば、導電性フィラメントまたは界面効果変動の有無により）高抵抗状態と低抵抗状態との間でスイッチング可能な可変抵抗層を有する。
【０００３】
しかしながら、抵抗感知メモリが生産段階に入る前に、より良好なスイッチング電流特性を含む、歩留まりを制限する多くの要因を克服しなければならない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
簡単な概要
この開示は、カルシウムをドープした亜マンガン酸プラセオジム、またはプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物（以下、ＰＣＭＯという）の二重層を含む不揮発性抵抗感知メモリに関する。特に、この開示は、結晶質のＰＣＭＯの層と、結晶質のＰＣＭＯの層の上に配置され、抵抗感知メモリスタックを形成する、非晶質のＰＣＭＯの層とを含む、抵抗メモリセルに関する。いくつかの実施例では、抵抗感知メモリスタックは、非晶質のＰＣＭＯの層から結晶質のＰＣＭＯの層を隔てる酸素拡散バリア層を含む。
【０００５】
例示的な一実施例では、抵抗感知メモリセルは、結晶質のＰＣＭＯの層と、結晶質のＰＣＭＯの層の上に配置され、抵抗感知メモリスタックを形成する、非晶質のＰＣＭＯの層とを含む。抵抗感知メモリスタックによって、第１および第２の電極が隔てられている。抵抗感知メモリセルはさらに、非晶質のＰＣＭＯの層から結晶質のＰＣＭＯの層を隔てる酸素拡散バリア層を含んでいてもよい。
【０００６】
これらのおよびさまざまな他の特徴ならびに利点は、以下の詳細な説明を読めば明らかとなるであろう。
【０００７】
この開示は、以下のこの開示のさまざまな実施例の詳細な説明を添付図面に関連して検討することによって、より完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的な不揮発性抵抗感知メモリセルの概略側面図である。
【図２】別の例示的な不揮発性抵抗感知メモリセルの概略側面図である。
【図３】半導体トランジスタを含む例示的な不揮発性抵抗感知メモリセルの概略図である。
【図４】例示的な不揮発性抵抗感知メモリアレイの概略図である。
【図５】不揮発性抵抗感知メモリセルを形成する例示的な方法のフローチャートである。
【図６Ａ】製造のある段階における不揮発性抵抗感知メモリセルの概略断面図である。
【図６Ｂ】製造のある段階における不揮発性抵抗感知メモリセルの概略断面図である。
【図６Ｃ】製造のある段階における不揮発性抵抗感知メモリセルの概略断面図である。
【図７】不揮発性抵抗感知メモリセルを形成する別の例示的な方法のフローチャートである。
【図８Ａ】製造のある段階における別の不揮発性抵抗感知メモリセルの概略断面図である。
【図８Ｂ】製造のある段階における別の不揮発性抵抗感知メモリセルの概略断面図である。
【図８Ｃ】製造のある段階における別の不揮発性抵抗感知メモリセルの概略断面図である。
【図８Ｄ】製造のある段階における別の不揮発性抵抗感知メモリセルの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面は必ずしも縮尺通りに描かれてはいない。図面に使用される同じ番号は同じ構成要素を示す。しかしながら、所与の図面においてある構成要素を示すためにある数を使用することは、同じ番号が付けられた別の図面のその構成要素を限定するよう意図されてはいない、ということが理解されるであろう。
【００１０】
詳細な説明
以下の説明では、この一部を形成し、いくつかの特定の実施例を例示のために示す、１組の添付図面を参照する。この開示の範囲または精神から逸脱することなく、他の実施例が考えられること、および作られてもよいことが理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではない。
【００１１】
特に指定のない限り、明細書および請求項で使用される形状構成のサイズ、量、および物理的特性を表わす数はすべて、「約」という用語によってあらゆる場合に変更されるものとして理解されるべきである。したがって、逆の指定がない限り、前述の明細書および添付される請求項で述べられる数値パラメータは、当業者がここに開示された教示を利用して得ることが求められる所望の特性に依存して変わり得る近似値である。
【００１２】
本明細書および添付される請求項で使用されているように、単数形は、内容が明らかに別のものを示していない限り、複数の指示対象を有する実施例を包含している。本明細書および添付される請求項で使用されているように、「または」という用語は、内容が明らかに別のものを示していない限り、概して「および／または」を含む意味で使用される。
【００１３】
「下部」、「上部」、「真下」、「下方」、「上方」、および「上に」を含むがこれらに限定されない、空間に関する用語は、ここで使用される場合、ある要素の別の要素に対する空間的関係を説明するのに、説明を容易にするために利用される。そのような空間に関する用語は、図面に示され、ここに説明される特定の配向に加え、使用または動作中のデバイスの異なる配向を包含する。たとえば、図面に示すセルが引っくり返された場合、以前に他の要素の下方または真下にあるとして説明された部分は、それらの他の要素の上方となるであろう。
【００１４】
ここで使用されるように、ある要素、構成要素、または層が、たとえば、別の要素、構成要素、または層「の上にあり」、「に接続され」、「と結合され」、または「と接触して」いるとして説明される場合、それはたとえば、その特定の要素、構成要素、または層の直上にあり、直接接続され、直接結合され、直接接触されてもよく、もしくは、介在する要素、構成要素、または層が、その特定の要素、構成要素、または層の上にあり、接続され、結合され、または接触していてもよい。ある要素、構成要素、または層がたとえば別の要素「の直上にあり」、「に直接接続され」、「と直接結合され」、または「と直接接触して」いるとして言及されている場合、たとえば介在する層、構成要素、または層は存在しない。
【００１５】
この開示は、カルシウムをドープした亜マンガン酸プラセオジム、またはプラセオジム・カルシウム・マンガン酸化物、すなわちＰＣＭＯ（たとえば、Ｐｒ1-XＣａXＭｎＯ3）の二重層を含む不揮発性抵抗感知メモリに関する。特に、この開示は、結晶質のＰＣＭＯの層と、結晶質のＰＣＭＯの層の上に配置され、抵抗感知メモリスタックを形成する、非晶質のＰＣＭＯの層とを含む、抵抗メモリセルに関する。いくつかの実施例では、抵抗感知メモリスタックは、非晶質のＰＣＭＯの層から結晶質のＰＣＭＯの層を隔てる酸素拡散バリア層を含む。これらのデバイスは、より低い電圧（約１ボルト）または電流でスイッチングし、他の単層のＰＣＭＯデバイスよりも対称的なスイッチング特性を提供することが示されてきた。加えて、酸素拡散バリア層を含むことは、メモリセルのデータ状態保持を改良することが示されてきた。この開示はそう限定されてはいないが、以下に提供する例の説明から、この開示のさまざまな局面の理解が得られるであろう。
【００１６】
図１は、例示的な不揮発性抵抗感知メモリセル１０の概略側面図である。抵抗感知メモリセル１０は、結晶質のＰＣＭＯの層１６と、結晶質のＰＣＭＯの層１６の上に配置され、抵抗感知メモリスタック１８を形成する、非晶質のＰＣＭＯの層１５とを含む。抵抗感知メモリスタック１８によって、第１の電極１２および第２の電極１４が隔てられている。
【００１７】
ＰＣＭＯという用語は、Ｐｒ1-XＣａXＭｎＯ3を示す（式中、Ｘはいくつかの実施例では０．２〜０．６の範囲にある）。貴金属または酸化物の電極間に堆積したこの材料は、抵抗感知メモリ材料の有望な候補である。この材料は、フィラメント形成ＲＲＡＭ（登録商標）とは対照的に、界面効果ＲＲＡＭ（登録商標）を提供する。フィラメント形成ＲＲＡＭ（登録商標）とは対照的に、界面効果ＲＲＡＭ（登録商標）材料は２つ以上の材料を含有する複合金属酸化物であり、これらの材料には初期形成が要求されてはいない。電流を材料に一方向に印加することは、材料を高抵抗状態に置く。電流を材料に逆方向に印加することは、材料を低抵抗状態に置く。しかしながら、この材料は数々の欠点を抱えていると思われる。この材料は、３〜５ボルトの範囲の比較的高いスイッチング電圧を必要とし、第２にこの材料は、一方向におけるスイッチング電圧が逆方向のスイッチング電圧よりも５０％大きい非対称的なスイッチングを有すると思われる。加えて、この材料は、少ないデータ状態保持期間を呈すると思われる。ここに説明する抵抗感知メモリセル構成は、これらの不備を克服すると思われる。
【００１８】
ＰＣＭＯ材料が摂氏４００度よりも高い温度で堆積された場合、ＰＣＭＯ材料は結晶構造を形成する。この結晶構造は、ＰＣＭＯ材料の導電性を改良する。ＰＣＭＯ材料が摂氏４００度未満、または摂氏３７５度未満、または摂氏３５０度未満の温度で堆積された場合、ＰＣＭＯ材料は非晶質である。非晶質のＰＣＭＯ材料は、結晶質のＰＣＭＯ材料よりも優れた電気絶縁体である。
【００１９】
結晶質のＰＣＭＯ材料は、非晶質のＰＣＭＯ材料のための酸素供給源としてさらに機能する酸化物導体として作用する。非晶質のＰＣＭＯ材料はトンネルバリアを形成し、トンネルバリアの高さまたは厚さは非晶質のＰＣＭＯ材料の酸素濃度によって制御される。多くの実施例では、非晶質のＰＣＭＯは１〜１０ナノメートル、または１〜７ナノメートル、または１〜５ナノメートルの範囲の厚さを有し、結晶質のＰＣＭＯ材料は１０〜１００ナノメートル、または１０〜７５ナノメートル、または２０〜５０ナノメートルの範囲の厚さを有する。ＰＣＭＯ層間の酸素イオン移動により、メモリセルは、高抵抗データ状態と低抵抗データ状態との間でスイッチングするようになる。
【００２０】
電極１２、１４は、任意の有用な不活性の導電性材料から形成可能である。多くの実施例では、電極１２、１４は、たとえばタングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、およびロジウム（Ｒｈ）などの貴金属または不活性金属から形成される。第１の電極１２は基板の上に形成可能であるが、基板の上に形成されなくてもよい。基板は、利用される場合、シリコン、シリコンとゲルマニウムとの混合物、および他の同様の材料を含んでいてもよい。図１および図２はオプションの基板を示していない。
【００２１】
図２は、別の例示的な不揮発性抵抗感知メモリセル１０の概略側面図である。抵抗感知メモリセルまたは不揮発性メモリセル１０は、結晶質のＰＣＭＯの層１６と、非晶質のＰＣＭＯの層１５と、非晶質のＰＣＭＯの層１５から結晶質のＰＣＭＯの層１６を隔て、抵抗感知メモリスタック１８を形成する、酸素拡散バリア層１７とを含む。抵抗感知メモリスタック１８によって、第１の電極１２および第２の電極１４が隔てられている。
【００２２】
酸素拡散バリア層１７は、メモリセルの熱安定性を高める。酸素拡散バリア層１７は、電気バイアスがある場合には酸素イオンがそれを通り抜けるようにするものの、電気バイアスがない場合には酸素または酸素イオンがそれを通り抜けることを阻止する任意の有用な材料から形成可能である。有用な酸素拡散バリア層１７の材料の例は、金属または導電性酸化物を含む。金属の酸素拡散バリア層材料は、たとえばプラチナを含む。導電性酸化物の酸素拡散バリア層材料は、たとえばＩｒＯ、ＲｕＯ、ＳｒＲｕＯ3、ランタン・カルシウム・マンガン酸化物（すなわち、ＬＣＭＯ）などを含む。酸素拡散バリア層１７は、任意の有用な厚さを有し得る。多くの実施例では、酸素拡散バリア層１７は、１〜１０ナノメートル、または２〜１０ナノメートルの範囲の厚さを有する。
【００２３】
ある電圧電位が抵抗感知メモリスタック１８の両端に第１の方向に印加されると、酸素イオンが、結晶質のＰＣＭＯの層１６から、酸素拡散バリア層１７を通って、非晶質のＰＣＭＯの層１５へと駆動される。このプロセスは電界によって駆動される。酸素拡散バリア層１７を通る拡散は、結晶質のＰＣＭＯ１６および非晶質のＰＣＭＯの層１５の隣り合う表面間の酸素イオンの濃度勾配によって駆動される。電圧が取除かれると、現在非晶質のＰＣＭＯの層１５にある酸素は酸素拡散バリア層１７を通って駆動されず、酸素勾配は存在しないであろう。これは、酸素拡散バリア層１７を通る酸素拡散を減少させ、不揮発性抵抗感知メモリセル１０のメモリ保持を高める。
【００２４】
図３は、半導体トランジスタ２２を含む例示的な不揮発性抵抗感知メモリセル２０の概略図である。メモリセルまたはユニット２０は、導電要素２４を介して半導体トランジスタ２２に電気的に結合された、ここに説明するような抵抗感知メモリセル１０を含む。トランジスタ２２は、ドープ領域（たとえば、ｎドープ領域として示す）と、ドープ領域間のチャネル領域（たとえば、ｐドープされたチャネル領域として示す）とを有する半導体基板２１を含む。トランジスタ２２は、選択および電流がビット線ＢＬからメモリセル１０に流れるようにワード線ＷＬに電気的に結合されたゲート２６を含む。抵抗感知メモリユニット２０のアレイを、半導体作製手法を利用して半導体基板の上に形成することができる。
【００２５】
図４は、例示的な不揮発性抵抗感知アレイ３０の概略図である。メモリアレイ３０は、クロスポイントアレイを形成する複数のワード線ＷＬと複数のビット線ＢＬとを含む。ここに説明されるような抵抗感知メモリセル１０は、各クロスポイントで、ワード線ＷＬおよびビット線ＢＬに電気的に結合される。選択デバイス（図示せず）が、各クロスポイントに、またはワード線ＷＬおよびビット線ＢＬの各々にあってもよい。
【００２６】
図５は、不揮発性抵抗感知メモリセルを形成する例示的な方法のフローチャートである。図６Ａ〜６Ｃは、製造のさまざまな段階における不揮発性抵抗感知メモリセルの概略断面図である。
【００２７】
図６Ａにおいて、図５のブロック１１０で、第１の電極１２の上に結晶質のＰＣＭＯの層１６が堆積される。結晶質のＰＣＭＯの層１６は、ＰＣＭＯの層１６に結晶構造を形成するのに十分な温度で堆積される。多くの実施例では、堆積温度は摂氏４００度よりも高い。結晶質のＰＣＭＯの層１６および第１の電極１２は双方とも、物理気相成長、化学気相成長、電気化学堆積、分子線エピタキシー、および原子層堆積によって形成可能である。図示されてはいないが、第１の電極１２は基板の上に堆積可能である。基板は、シリコン、シリコンとゲルマニウムとの混合物、および他の同様の材料を含むが、それらに限定されない。
【００２８】
図６Ｂにおいて、図５のブロック１２０で、結晶質のＰＣＭＯの層１６の上に非晶質のＰＣＭＯの層１５が堆積される。非晶質のＰＣＭＯの層１５は、非晶質または非結晶質のＰＣＭＯの層１５を形成するのに十分な温度で堆積される。多くの実施例では、堆積温度は摂氏４００度未満、または摂氏３７５度未満、または摂氏３５０度未満である。
【００２９】
図６Ｃにおいて、図５のブロック１３０で、非晶質のＰＣＭＯの層１５の上に第２の電極１４が堆積される。第２の電極１４は、上述の堆積方法を用いて形成可能である。第２の電極１４の上に、追加の金属接触層が形成可能である。
【００３０】
図７は、不揮発性抵抗感知メモリセルを形成する別の例示的な方法のフローチャートである。図８Ａ〜８Ｄは、製造のさまざまな段階における別の不揮発性抵抗感知メモリセルの概略断面図である。
【００３１】
図８Ａにおいて、図７のブロック２１０で、第１の電極１２の上に結晶質のＰＣＭＯの層１６が堆積される。上述のように、結晶質のＰＣＭＯの層１６は、ＰＣＭＯの層１６に結晶構造を形成するのに十分な温度で堆積される。図示されてはいないが、第１の電極１２は基板の上に堆積可能である。基板は、シリコン、シリコンとゲルマニウムとの混合物、および他の同様の材料を含むが、それらに限定されない。
【００３２】
図８Ｂにおいて、図７のブロック２２０で、結晶質のＰＣＭＯの層１６の上に酸素拡散バリア層１７が堆積される。酸素拡散バリア層１７は、上述の堆積方法を用いて形成可能である。
【００３３】
図８Ｃにおいて、図７のブロック２３０で、酸素拡散バリア層１７の上に非晶質のＰＣＭＯの層１５が堆積される。上述のように、非晶質のＰＣＭＯの層１５は、非晶質または非結晶質のＰＣＭＯの層１５を形成するのに十分な温度で堆積される。
【００３４】
図８Ｄにおいて、図７のブロック２４０で、非晶質のＰＣＭＯの層１５の上に第２の電極１４が堆積される。第２の電極１４は、上述の堆積方法を用いて形成可能である。第２の電極１４の上に、追加の金属接触層が形成可能である。
【００３５】
このように、スイッチングが改良された不揮発性抵抗感知メモリの実施例が開示されている。上述の実現化例および他の実現化例は、請求の範囲内にある。この開示が開示されたもの以外の実施例で実践可能であることは、当業者であれば理解するであろう。開示された実施例は限定のためではなく例示のために提示されており、この発明は請求項によってのみ限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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